(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
触覚提示つまみを操作面上に載置し、前記触覚提示つまみを介して使用者に触覚を提示する触覚提示パネルであって、
前記操作面を複数の領域に分割して分割領域ごとに制御対象を割り当て、前記分割領域ごとに提示する触覚を設定する制御回路と、
前記操作面と前記触覚提示つまみの間の摩擦力を変化させることで前記制御回路によって設定された触覚を前記分割領域ごとに生成する触覚制御回路と、
前記触覚提示つまみの前記触覚提示パネル上の位置を検出するタッチ検出回路と、を備え、
前記分割領域内に前記触覚提示つまみを載置して前記制御対象を選択し、
前記触覚提示つまみは、前記操作面と接する導電性弾性部と、該導電性弾性部上に設けられる剛体からなる回転部と、を備え、前記操作面と前記導電性弾性部の間で生じた摩擦力の変化により生じた触覚が前記回転部から使用者へと伝わる、触覚提示パネル。
【請求項２】
前記触覚制御回路は、
触覚提示信号の信号波形および信号電圧が印加される時間、周期を変化させて前記摩擦力を変化させる、請求項１記載の触覚提示パネル。
【請求項３】
前記触覚提示パネルの前記操作面側に設けられた複数の第１電極および複数の第２電極を含む触覚電極と、
前記触覚電極を覆い、かつ一面が前記操作面である誘電体層と、
前記触覚提示パネルの前記操作面における少なくとも一部の領域に位置する少なくとも１つの前記第１電極に印加する第１周波数を有する第１の電圧信号を生成し、かつ前記触覚提示パネルの前記操作面における少なくとも一部の領域に位置する少なくとも１つの前記第２電極に印加する前記第１周波数とは異なる第２周波数を有する第２の電圧信号を生成する電圧生成回路と、を備え、
前記第１および第２の電圧信号の供給により前記操作面と前記触覚提示つまみとの間に生じる前記摩擦力を発生させる、請求項１または請求項２記載の触覚提示パネル。
【請求項４】
前記触覚提示パネルの前記操作面を超音波振動により振動させる少なくとも１つの超音波素子を備え、
前記超音波素子の振動タイミングを制御することで生じる前記操作面上の振動を共振させることで前記触覚提示つまみと前記触覚提示パネルとの間の前記摩擦力を発生させる、請求項１から請求項３の何れか１項に記載の触覚提示パネル。 
【請求項５】
前記操作面に加わる押圧力を検出する感圧センサを備え、
前記触覚提示つまみを前記操作面に押し込む動作を検出する、請求項１記載の触覚提示パネル。
【請求項６】
前記操作面の前記分割領域ごとに前記触覚提示つまみに異なる触感を提示する、請求項１から請求項５の何れか１項に記載の触覚提示パネル。
【請求項７】
前記分割領域は、
第１の領域と第２の領域とを有し、
前記第１の領域は、前記第２の領域よりも前記触覚提示つまみと前記触覚提示パネルとの間の前記摩擦力が小さくなるように設定される、請求項１から請求項６の何れか１項に記載の触覚提示パネル。
【請求項８】
前記触覚制御回路は、
前記触覚提示つまみを誘導するように、前記触覚提示つまみの移動に合わせて前記第２の領域を設定する位置を変更する、請求項７記載の触覚提示パネル。
【請求項９】
前記分割領域は、
第３の領域と第４の領域とを有し、
前記第４の領域は、前記触覚提示つまみと前記触覚提示パネルとの間に静電気力または磁力が作用する領域であって、
前記第４の領域に前記触覚提示つまみを載置することで、前記触覚提示つまみが静電気力または磁力により固定される、請求項７または請求項８記載の触覚提示パネル。
【請求項１０】
前記第４の領域は、
前記分割領域の中央部であって、
前記第３の領域は、
前記分割領域の前記中央部以外の領域であって、前記触覚提示つまみと前記触覚提示パネルとの間に前記第４の領域よりも弱い磁力が作用する領域である、請求項９記載の触覚提示パネル。
【請求項１１】
少なくとも前記第４の領域は、
コイルによって磁力を発生させる、請求項９または請求項１０記載の触覚提示パネル。
【請求項１２】
少なくとも前記第４の領域は、
コイルおよび、常磁性材料または強磁性材料による磁石によって磁力を発生させる、請求項９または請求項１０記載の触覚提示パネル。
【請求項１３】
前記分割領域は、
第５の領域と第６の領域とを有し、
前記第６の領域は、
前記分割領域の中央部の前記触覚提示つまみが接触する領域であって、
前記第５の領域は、
少なくとも前記触覚提示つまみを取り囲む領域であって、前記触覚提示つまみと前記触覚提示パネルとの間に前記第６の領域よりも摩擦力が大きくなるように設定される、請求項７から請求項１２の何れか１項に記載の触覚提示パネル。
【請求項１４】
前記感圧センサは、
前記触覚提示つまみを前記操作面に押し込む動作により前記押圧力を検出すると、
前記制御回路は、
前記押圧力を検出した前記分割領域に割り当てられた前記制御対象が選択されたものとして、階層構造をなす前記制御対象の下の階層に対応した領域分割に前記操作面を切り替える、請求項５記載の触覚提示パネル。
【請求項１５】
前記操作面上での前記触覚提示つまみの位置の移動、回転および押し込み動作により前記制御対象を選択する、請求項７から請求項１４の何れか１項に記載の触覚提示パネル。
【請求項１６】
触覚提示つまみを操作面上に載置し、前記触覚提示つまみを介して使用者に触覚を提示する触覚提示パネルであって、
提示する触覚を設定する制御回路と、
前記操作面と前記触覚提示つまみの間の摩擦力を変化させることで前記制御回路によって設定された触覚を生成する触覚制御回路と、
前記触覚提示つまみの前記触覚提示パネル上の位置を検出するタッチ検出回路と、を備え、
前記触覚制御回路は、
前記触覚提示つまみを前記操作面上の特定の領域に誘導するように少なくとも前記操作面上の前記摩擦力を設定し、
前記触覚提示つまみは、前記操作面と接する導電性弾性部と、該導電性弾性部上に設けられる剛体からなる回転部と、を備え、前記操作面と前記導電性弾性部の間で生じた摩擦力の変化により生じた触覚が前記回転部から使用者へと伝わる、触覚提示パネル。
【請求項１７】
請求項１または請求項１６記載の触覚提示パネルと、
前記触覚提示パネルの前記操作面とは反対側に配置されたタッチパネルと、
を備え、
前記タッチ検出回路は、前記触覚提示パネルに代えて前記タッチパネルに備えられる、触覚提示タッチパネル。
【請求項１８】
前記タッチパネルの検出電極および励起電極は、一対となってマトリクス状に配置されている、請求項１７記載の触覚提示タッチパネル。
【請求項１９】
請求項１７記載の触覚提示タッチパネルと、
前記触覚提示タッチパネルに取り付けられた表示パネルと、を備える、触覚提示タッチディスプレイ。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、触覚提示つまみを介して使用者に触覚を提示する触覚提示パネル、触覚提示タッチパネルおよび触覚提示タッチディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
タッチスクリーン上において使用者の指またはペンなどの指示体によって指示された位置（以下「タッチ位置」という場合がある）を検出して出力する装置として、タッチパネルが広く知られており、静電容量方式を用いたタッチパネルとして投影型静電容量方式タッチパネル（ＰＣＡＰ：Projected Capacitive Touch Panel）がある。ＰＣＡＰは、タッチスクリーンの使用者側の面（以下「表側面」という場合がある）が厚さ数ｍｍ程度のガラス板などの保護板で覆った場合でもタッチ位置を検出することができる。また、ＰＣＡＰ、表側面に保護板を配置できるので堅牢性に優れている点、および可動部を有しないので長寿命である点などの利点を有している。【０００３】
ＰＣＡＰのタッチスクリーンは、行方向におけるタッチ位置の座標を検出する検出用行方向配線層と、列方向におけるタッチ位置の座標を検出する検出用列方向配線層とを備えている。以下の説明では、検出用行方向配線層と検出用列方向配線層とを総称して「検出用配線層」という場合がある。【０００４】
また、検出用配線層が配置された部材を「タッチスクリーン」といい、タッチスクリーンに検出用回路が接続された装置を「タッチパネル」という。さらに、タッチスクリーンにおいてタッチ位置の検出が可能な領域を「検出可能エリア」という。【０００５】
静電容量（以下、単に「容量」という場合がある）を検出するための検出用配線層として、薄い誘電膜上に形成された第１シリーズの導体エレメントと、第１シリーズの導体エレメント上に絶縁膜を隔てて形成された第２シリーズの導体エレメントとを備えている。各導体エレメント間には電気的接触はなく、表側面の法線方向から見て、第１シリーズの導体エレメントと、第２シリーズの導体エレメントとのうち一方が他方と平面視で重畳しているが、両者の間に電気的接触はなく立体的に交差している。【０００６】
指示体のタッチ位置の座標は、指示体と、検出用配線である導体エレメントとの間で形成される容量（以下「タッチ容量」という場合がある）を検出回路で検出することによって特定される。また、１以上の導体エレメントの検出容量の相対値によって、導体エレメント間のタッチ位置を補間することができる。【０００７】
近年、スイッチ等を含む操作パネルとしてのタッチパネルが機械スイッチに代わって身の回りの多くの機器に用いられるようになっている。しかし、タッチパネルには、機械スイッチのように凹凸がなく手触りが均一であるため、操作によって表面形状が変形しない。そのため、スイッチの位置確認から操作実行および操作完了までのすべての操作過程を視覚に頼って行わなければならず、自動車の運転中の音響等の操作など、他の作業と並行して行う操作時にブラインド操作の確実性および視覚障害者の操作性などに課題がある。【０００８】
例えば、車載機器では、デザイン性の観点から広くタッチパネルが用いられるようになっているため、運転中に車載機器をブラインドタッチで操作し難くなり、安全性確保の観点から、ブラインドタッチでの操作が可能になる機能付タッチパネルへの注目が高まっている。また、民生機器においては、家電および電子機器の多くに操作パネルとしてのタッチパネルが用いられるようになった。さらに、デザイン性の観点から表面をカバーガラスで保護したＰＣＡＰを搭載する機器も増加している。しかし、タッチパネルは表面が平滑なため、手触りでスイッチの位置を確認することができず、ユニバーサルデザイン対応が困難であることが課題である。ＰＣＡＰの場合、デザイン性としてガラス表面が平滑であることが求められており、スイッチ位置に相当するガラス面に凹凸を加工するなどといったユニバーサルデザイン対応が難しい。【０００９】
上記の対策として、操作を受け付けたこと、および操作を完了したことを音声で知らせる方法があるが、プライバシーおよび騒音の問題で音声機能を使用できる環境が限定されるなど、機械スイッチと同等の機能と汎用性には至っていない。タッチパネルにスイッチの位置を提示する機能、操作の受け付け、および操作の完了を触覚で使用者にフィードバックする機能があれば、ブラインドタッチでの操作およびユニバーサルデザイン対応を実現することが可能である。【００１０】
携帯電話およびスマートフォンでは、操作の確実性および視覚に頼らない操作性を補うために、振動による触覚フィードバック機能を搭載している場合がある。使用者の操作に連動した振動によるフィードバック機能が急速に身近なものになり、さらに高度な触覚フィードバックへの需要も高まると予想される。【００１１】
触覚を発生する方式は、振動方式、超音波方式、および電気方式の３つに大別される。振動方式の特徴は、ＰＣＡＰとの共存が可能で低コストであるが、デバイス全体が十分に振動するように筐体への振動子の組み込みが不適合であり、また振動子の出力の限界から大面積化ができない。超音波方式は、ツルツル感など、他の方式では発生できないような触覚を発生させることが可能であるが、振動方式と同様の理由で、筐体への組み込みに不適合であり、また大面積化もできない点が短所である。電気方式には、静電摩擦力により触覚を生成する静電摩擦方式と指に直接電気刺激を与える電気刺激方式とがあるが、これらは、任意の箇所に触覚を発生させることが可能であり、大面積化およびマルチタッチ対応が可能である。【００１２】
以下、この方式について説明する。なお以下において、透明絶縁基板に触覚電極が配置された部材を「触覚提示スクリーン」といい、触覚提示スクリーンに検出用回路が接続された装置を「触覚提示パネル」という。また触覚提示スクリーンにおける触覚提示可能な領域を「触覚提示可能エリア」という。【００１３】
回転つまみに対する触覚出力デバイスに関して、例えば特許文献１では、タッチパネルが取り付けられた表示装置の画面上に、回転つまみに相当するノブが取り付けられている。ノブは、使用者が手動で回転させることが可能であり、下面に凸部が設けられている。使用者がノブを回転操作すると、当該回転操作に応じて凸部がタッチ面に接触しながら移動する。凸部がタッチ面上を移動することで、ノブの回転操作がタッチ操作に変換される。使用者により回転操作が行われた場合、アクチュエータを制御することによって操作内容に対応する波形でノブを振動させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特許第６５７０７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
特許文献１では、タッチパネルが取り付けられた表示装置の画面上にノブが取り付けられて固定されているため、使用者は操作し易い任意の位置で回転ノブを回転操作することができない。また、アクチュエータの制御による振動でノブに触覚を提示するため、ノブに提示することができる触覚は振動感およびクリック感に限定され、回転操作を制止することによって規定される操作可能な範囲を提示することができない。さらに、触覚がないときにおける表示装置の画面と回転つまみとの間の摩擦力は常に一定のため、ノブを回転するときの抵抗感を変えることができない。このように、特許文献１では、使用者の触覚による直観的な操作が可能であり、かつ、使い勝手のいいダイヤルつまみの操作感を与えることができないという問題がある。【００１６】
本開示は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、使用者の触覚による直観的な操作が可能であり、かつ、使い勝手のいいダイヤルつまみの操作感を与えることができる触覚提示パネル、触覚提示タッチパネルおよび触覚提示タッチディスプレイを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本開示による触覚提示パネルは、触覚提示つまみを操作面上に載置し、前記触覚提示つまみを介して使用者に触覚を提示する触覚提示パネルであって、前記操作面を複数の領域に分割して分割領域ごとに制御対象を割り当て、前記分割領域ごとに提示する触覚を設定する制御回路と、前記操作面と前記触覚提示つまみの間の摩擦力を変化させることで前記制御回路によって設定された触覚を前記分割領域ごとに生成する触覚制御回路と、前記触覚提示つまみの前記触覚提示パネル上の位置を検出するタッチ検出回路と、を備え、前記分割領域内に前記触覚提示つまみを載置して前記制御対象を選択し、前記触感提示つまみは、前記操作面と接する導電性弾性部と、該導電性弾性部上に設けられる剛体からなる回転部と、を備え、前記操作面と前記導電性弾性部の間で生じた摩擦力の変化により生じた触覚が前記回転部から使用者へと伝わる。
【００１８】
また、本開示による別の触覚提示パネルは、触覚提示つまみを操作面上に載置し、前記触覚提示つまみを介して使用者に触覚を提示する触覚提示パネルであって、提示する触覚を設定する制御回路と、前記操作面と前記触覚提示つまみの間の摩擦力を変化させることで前記制御回路によって設定された触覚を生成する触覚制御回路と、前記触覚提示つまみの前記触覚提示パネル上の位置を検出するタッチ検出回路と、を備え、前記触覚制御回路は、前記触覚提示つまみを前記操作面上の特定の領域に誘導するように少なくとも前記操作面上の前記摩擦力を設定し、前記触感提示つまみは、前記操作面と接する導電性弾性部と、該導電性弾性部上に設けられる剛体からなる回転部と、を備え、前記操作面と前記導電性弾性部の間で生じた摩擦力の変化により生じた触覚が前記回転部から使用者へと伝わる。
【発明の効果】
【００１９】
本開示によると、使用者の触覚による直観的な操作が可能であり、かつ、使い勝手のいいダイヤルつまみの操作感を与えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施の形態１による触覚提示タッチディスプレイの構成を概略的に示す分解斜視図である。
【図２】図１の触覚提示タッチディスプレイの構成を概略的に示す断面図である。
【図３】図２の触覚提示パネルが有する触覚電極と触覚提示つまみとの間で形成される静電容量を説明するための模式図である。
【図４】図２の触覚提示パネルが有する触覚電極と触覚提示つまみとの間で形成される静電容量を説明するための斜視図である。
【図５】図２の第１電極に印加される第１周波数の電圧信号の一例を示すグラフである。
【図６】図２の第２電極に印加される第２周波数の電圧信号の一例を示すグラフである。
【図７】図５および図６の各電圧信号が組み合わさることによって発生する振幅変調信号を示すグラフである。
【図８】図２のタッチスクリーンの一例を示す平面図である。
【図９】図８の線Ａ１−Ａ１および線Ａ２−Ａ２に沿う部分断面図である。
【図１０】図２のタッチスクリーンの一例を示す平面図である。
【図１１】図１０の線Ｂ１−Ｂ１および線Ｂ２−Ｂ２に沿う部分断面図である。
【図１２】実施の形態１によるセグメント構造のタッチパネルの構成を概略的に示す平面図である。
【図１３】実施の形態１によるセグメント構造のタッチパネルの検出電極および励起電極の形状の一例を概略的に示す平面図である。
【図１４】実施の形態１によるセグメント構造のタッチパネルの検出電極および励起電極の形状の一例を概略的に示す平面図である。
【図１５】図２の触覚提示スクリーンの構成を概略的に示す平面図である。
【図１６】図２の触覚提示パネルが有する触覚電極と指示体との間で形成される静電容量を説明するための模式図である。
【図１７】実施の形態１によるセグメント構造の触覚提示パネルの構成を概略的に示す平面図である。
【図１８】実施の形態１によるセグメント構造の触覚提示パネルの触覚電極の形状の一例を概略的に示す平面図である。
【図１９】実施の形態１によるセグメント構造の触覚提示パネルの触覚電極の形状の一例を概略的に示す平面図である。
【図２０】図２の触覚提示パネルが有する触覚電極のピッチが触覚提示つまみの直径よりも大きい場合において触覚電極と触覚提示つまみとの間で形成される静電容量を説明するための模式図である。
【図２１】図２の触覚提示パネルが有する触覚電極のピッチが触覚提示つまみの直径よりも小さい場合において触覚電極と触覚提示つまみとの間で形成される静電容量を説明するための模式図である。
【図２２】実施の形態１による触覚提示つまみの回転部の構成を示す模式図である。
【図２３】実施の形態１による触覚提示つまみを載置する位置が１か所に固定される場合における固定部の構成を示す模式図である。
【図２４】実施の形態１による触覚提示つまみを載置する位置が移動する場合の回転軸構造の構成を示す模式図である。
【図２５】実施の形態１によるタッチスクリーンが触覚提示つまみの位置を検出したときの線Ｃ−Ｃの容量プロファイルを説明するための模式図である。
【図２６】実施の形態１による位置検出部が複数の場合の回転量の算出を説明する図である。
【図２７】実施の形態１による導電性弾性部のエッジ部の位置を示す模式図である。
【図２８】図１の触覚提示タッチパネルの構成を概略的に示すブロック図である。
【図２９】図１の触覚提示タッチパネルで指示体が触覚提示つまみに接触していないときに触覚提示タッチパネルで形成される静電容量を説明するための模式図である。
【図３０】指示体が触覚提示つまみに接触していないときの図１の触覚提示タッチパネルの動作タイミングを概略的に示すタイミングチャートである。
【図３１】図１の触覚提示タッチパネルで指示体が触覚提示つまみに接触しているときに触覚提示タッチパネルで形成される静電容量を説明するための模式図である。
【図３２】指示体が触覚提示つまみに接触しているときの図１の触覚提示タッチパネルの動作タイミングを概略的に示すタイミングチャートである。
【図３３】図１の触覚提示タッチパネルがタッチ位置を検出する際に触覚提示タッチパネルで形成される静電容量を説明するための模式図である。
【図３４】図１の触覚提示タッチパネルが触覚を生成する際に触覚提示タッチパネルで形成される静電容量を説明するための模式図である。
【図３５】実施の形態１による信号電圧印加時に触覚提示つまみが指示体を介して接地接続した際に導電性弾性部に蓄積した電荷の移動を模式的に示すイメージ図である。
【図３６】実施の形態１による信号電圧印加時に触覚提示つまみが誘電体層を介して接触している一部の触覚電極を接地接続した際の触覚提示タッチパネルの構成を概略的に示すブロック図である。
【図３７】実施の形態１によるディスプレイの領域分割の一例を示す図である。
【図３８】触覚提示つまみ３を分割領域に載置した場合の触覚提示つまみの裏面の構成との位置関係を示す図である。
【図３９】分割された操作面に表示される制御対象を階層構造とする場合の画面と操作の関係を示す図である。
【図４０】階層構造の操作の各階層の画面の一例について説明する図である。
【図４１】階層構造の操作の各階層の画面の一例について説明する図である。
【図４２】階層構造の操作の各階層の画面の一例について説明する図である。
【図４３】実施の形態１におけるディスプレイにおいて、触覚提示つまみを移動して操作領域を選択する動作を説明する図である。
【図４４】実施の形態２におけるディスプレイにおいて、触覚提示つまみを移動して操作領域を選択する動作を説明する図である。
【図４５】実施の形態２におけるディスプレイにおいて、磁力を発生させる構成を示す図である。
【図４６】実施の形態２におけるディスプレイにおいて、磁力発生基板の配置を示す図である。
【図４７】実施の形態２におけるソレノイドコイルの構成の一例を示す斜視図である。
【図４８】実施の形態２におけるソレノイドコイルの構成の一例を示す断面図である。
【図４９】実施の形態２におけるソレノイドコイルの構成の一例を示す斜視図である。
【図５０】実施の形態２におけるソレノイドコイルの構成の一例を示す断面図である。
【図５１】実施の形態２におけるコイルの構成の一例を示す断面図である。
【図５２】実施の形態２におけるコイルの構成の一例を示す断面図である。
【図５３】実施の形態２におけるコイルの構成の一例を示す断面図である。
【図５４】実施の形態２におけるコイルの構成の一例を示す断面図である。
【図５５】実施の形態３におけるディスプレイにおいて、触覚提示つまみを誘導する構成を説明する図である。
【図５６】実施の形態３におけるディスプレイにおいて、触覚提示つまみを誘導する構成を説明する図である。
【図５７】実施の形態３におけるディスプレイにおいて、触覚提示つまみを誘導する構成を説明する図である。
【図５８】実施の形態３におけるディスプレイにおいて、触覚提示つまみを誘導する構成を説明する図である。
【図５９】実施の形態３におけるディスプレイにおいて、触覚提示つまみを誘導する構成を説明する図である。
【図６０】実施の形態３におけるディスプレイにおいて、触覚提示つまみを誘導する構成を説明する図である。
【図６１】実施の形態３におけるディスプレイにおいて、触覚提示つまみを誘導する構成を説明する図である。
【図６２】実施の形態３におけるディスプレイにおいて、触覚提示つまみを誘導する構成を説明する図である。
【図６３】実施の形態３におけるディスプレイにおいて、触覚提示つまみを誘導する構成を説明する図である。
【図６４】実施の形態４におけるディスプレイにおいて、触覚提示つまみを移動して操作領域を選択する動作を説明する図である。
【図６５】実施の形態４におけるディスプレイにおいて、触覚提示つまみを移動して操作領域を選択する動作を説明する図である。
【図６６】実施の形態４におけるディスプレイにおいて、触覚提示つまみを移動して操作領域を選択する動作を説明する図である。
【図６７】実施の形態５におけるディスプレイにおいて、触覚提示つまみの位置がずれることを摩擦力を用いて抑制する構成を示す図である。
【図６８】実施の形態５におけるディスプレイにおいて、触覚提示つまみの位置がずれることを摩擦力を用いて抑制する構成を示す図である。
【図６９】実施の形態５におけるディスプレイにおいて、触覚提示つまみの位置がずれることを摩擦力を用いて抑制する構成を示す図である。
【図７０】実施の形態６における触覚提示パネルの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
＜実施の形態１＞
＜触覚提示タッチディスプレイ＞
図１は、本実施の形態１における触覚提示タッチディスプレイ１の上に触覚提示つまみ３を置いて操作感および操作量の触覚を提示する触覚提示デバイスの構成を概略的に示す分解斜視図である。図２は、触覚提示タッチディスプレイ１の構成を概略的に示す断面図である。
【００２２】
触覚提示タッチディスプレイ１は、触覚提示タッチパネル４００と、触覚提示タッチパネル４００が取り付けられた表示パネル３００とを有している。表示パネル３００は、感圧センサ２１６を有している。触覚提示タッチパネル４００は、触覚提示パネル１００と、タッチパネル２００とを有している。触覚提示パネル１００は、触覚提示スクリーン１５０と、電圧供給回路１１０とを有している。タッチパネル２００は、タッチスクリーン２５０と、タッチ検出回路２１０とを有している。
【００２３】
本実施の形態１において、触覚提示スクリーン１５０は、触覚提示タッチディスプレイ１の、使用者に面する側（表側）に配置されており、タッチスクリーン２５０の使用者に面する面（表側面）上に、接着材１０ｂによって固定されている。タッチスクリーン２５０は、表示パネル３００の、使用者に面する面（表側面）上に、接着材２０ａによって固定されている。
【００２４】
触覚提示スクリーン１５０は、透明絶縁基板１０１と、触覚電極１０２と、誘電体層１０６とを有している。触覚電極１０２は、透明絶縁基板１０１上に間隔を空けて交互に配置された複数の第１電極１０２ａおよび複数の第２電極１０２ｂを含む。誘電体層１０６は、複数の第１電極１０２ａおよび複数の第２電極１０２ｂを覆っている。触覚提示スクリーン１５０は、電圧供給回路１１０にＦＰＣ（Flexible Print Circuit）１０８によって電気的に接続されている。
【００２５】
タッチスクリーン２５０は、透明であって絶縁性を有する基板２０１と、励起電極２０２と、検出電極２０３と、層間絶縁層２０４と、絶縁層２０５とを有している。タッチスクリーン２５０は、タッチ検出回路２１０にＦＰＣ１０８によって電気的に接続されている。タッチ検出回路２１０は、触覚提示スクリーン１５０の透明絶縁基板１０１上のタッチされた位置を検出する。これにより、透明絶縁基板１０１上において、触覚提示だけでなくタッチ位置検出が可能とされている。タッチ検出回路２１０は、例えば、タッチによる静電容量の変化を検出するための検出用ＩＣ（Integrated Circuit）とマイクロコンピュータとを有している。タッチスクリーン２５０の構成の詳細については、具体例を挙げて後述する。
【００２６】
表示パネル３００は、対向する２つの透明絶縁基板と、それらの間に挟まれ表示機能を有する表示機能層とを有する。表示パネル３００は、典型的には液晶パネルである。表示パネル３００は、有機ＥＬ（Electro-Luminescence）パネル、μＬＥＤ（Micro Light Emitting Diode）パネルまたは電子ペーパーパネルであってもよい。タッチパネル２００は、典型的にはＰＣＡＰである。
【００２７】
＜触覚提示パネルの概要＞
図３は、触覚提示パネル１００が有する触覚電極１０２と触覚提示つまみ３との間で形成される静電容量ＣＦＥを模式的に説明するための図である。図４は、図３の斜視図である。触覚提示つまみ３が触覚提示スクリーン１５０の表側面の一部である接触面ＣＴに触れると、接触面ＣＴ上の触覚提示つまみ３と触覚電極１０２との間に誘電体層１０６を介して静電容量ＣＮＥが形成される。なお、これらの図中では、図を見やすくするために電圧供給回路１１０（図２参照）に含まれる触覚提示電圧生成回路１１３のみが示されており、電圧供給回路１１０に含まれる他の構成は図示されていない。電圧供給回路１１０のより具体的な構成については後述する。
【００２８】
電圧供給回路１１０に含まれる触覚提示電圧生成回路１１３は、第１電圧発生回路１１３ａと、第２電圧発生回路１１３ｂとを有している。第１電圧発生回路１１３ａは、複数の第１電極１０２ａのうち、透明絶縁基板１０１の少なくとも一部の領域上に位置する第１電極１０２ａへ電圧信号Ｖａを印加するものであり、本実施の形態１では透明絶縁基板１０１の少なくとも一部の領域上に位置するすべての第１電極１０２ａへ電圧信号Ｖａを印加するものである。第２電圧発生回路１１３ｂは、複数の第２電極１０２ｂのうち、透明絶縁基板１０１の少なくとも一部の領域上に位置する第２電極１０２ｂへ電圧信号Ｖｂを印加するものであり、本実施の形態１では透明絶縁基板１０１の少なくとも一部の領域上に位置するすべての第２電極１０２ｂへ電圧信号Ｖｂを印加するものである。
【００２９】
図５および図６のそれぞれは、電圧信号Ｖａおよび電圧信号Ｖｂの一例を示すグラフである。第１電圧発生回路１１３ａの電圧信号Ｖａ（第１の電圧信号）は、第１周波数を有している。第２電圧発生回路１１３ｂの電圧信号Ｖｂ（第２の電圧信号）は、第１周波数と異なる第２周波数を有している。電圧信号Ｖａの振幅と電圧信号Ｖｂの振幅とは、同じ振幅ＶＬであってよい。図５，６の例では、電圧信号Ｖａおよび電圧信号Ｖｂとして、周波数の異なる正弦波が用いられている。正弦波に代わって、パルス波、または他の形状を有するものが用いられてもよい。十分に大きな触覚を生成するためには、振幅ＶＬは、数十Ｖ程度であることが好ましい。
【００３０】
図７は、電圧信号Ｖａ（図５参照）および電圧信号Ｖｂ（図６参照）が組み合わさることによって発生する振幅変調信号ＶＮを示すグラフである。第１電極１０２ａへは電圧信号Ｖａが印加され、かつ第２電極１０２ｂへは電圧信号Ｖｂが印加される。その結果、第１電極１０２ａおよび第２電極１０２ｂの各々と触覚提示つまみ３との間の静電容量ＣＮＥ（図４参照）が形成されている領域では、振幅ＶＬのおおよそ２倍の最大振幅ＶＨを有する振幅変調信号ＶＮに従った充放電が繰り返される。その結果、誘電体層１０６を介して第１電極１０２ａおよび第２電極１０２ｂに跨って接する触覚提示つまみ３には、最大振幅ＶＨの振幅変調信号ＶＮに対応する静電気力が加わる。振幅変調信号ＶＮは、上記第１周波数と第２周波数との差に対応して、うなりの周波数を有する。よって、触覚提示つまみ３が触覚提示スクリーン１５０上を回転する際には、触覚提示つまみ３に作用する摩擦力が、上述したうなりの周波数で変化する。その結果、触覚提示つまみ３がうなりの周波数で振動する。使用者は、触覚提示つまみ３の振動を触覚提示スクリーン１５０から得られた触覚として知覚する。以上のように、触覚提示パネル１００が有する触覚提示スクリーン１５０は、触覚提示つまみ３に加わる静電気力を制御することによって触覚提示つまみ３に加わる摩擦力を変化させることにより触覚を生成するように構成されている。
【００３１】
上記のように、入力された電圧信号Ｖａ（図５参照）および電圧信号Ｖｂ（図６参照）の各々に比しておおよそ２倍の電圧を有する振幅変調信号ＶＮが生成される。これにより、触覚提示つまみ３に所望の摩擦力を作用させるのに必要な振幅変調信号ＶＮを、そのおおよそ１／２の電圧を有する電圧信号Ｖａ（図５参照）および電圧信号Ｖｂ（図６参照）によって生成することができる。よって、第１電極１０２ａおよび１０２ｂに振幅変調信号が直接入力される場合に比して、１／２の電圧で同等の静電気力を生成することができ、低電圧駆動が可能となる。
【００３２】
使用者に対して十分に大きな触覚を提示するためには、それに対応して最大振幅ＶＨが十分に大きければよく、それに比して振幅ＶＬは小さな値であってよい。よって振幅ＶＬは、それ自体によって十分に大きな触覚を生成するほどに大きい必要はない。振幅ＶＬがそのように設定される結果、第１電極１０２ａおよび第２電極１０２ｂのいずれか一方のみが触覚提示つまみ３に接触している状態では、電圧信号Ｖａおよび電圧信号Ｖｂの周波数がどのように選択されても、使用者は触覚をほとんど知覚しない。
【００３３】
触覚提示つまみ３が第１電極１０２ａおよび第２電極１０２ｂを跨るように位置しやすくするためには、触覚電極１０２のピッチＰＥが接触面ＣＴの直径ＲＮＥよりも小さいことが好ましい。この詳細については後述する。
【００３４】
＜タッチパネル＞
図８は、タッチスクリーン２５０（図２参照）の一例としての、静電容量方式のタッチスクリーン２５０ａを示す平面図である。図９は、図８の線Ａ１−Ａ１および線Ａ２−Ａ２に沿う部分断面図である。
【００３５】
タッチスクリーン２５０ａは、複数の行方向配線層２０６と複数の列方向配線層２０７とを有している。行方向配線層２０６の各々は、電気的に接続された複数の励起電極２０２（図２参照）からなり、列方向配線層２０７の各々は、電気的に接続された複数の検出電極２０３（図２参照）からなる。図８および図９では、このような微細構造を無視して、行方向配線層２０６および列方向配線層２０７が図示されている。励起電極２０２（図２参照）は、金属の単層膜もしくは多層膜、または、これらのいずれかを含みかつ他の導電材料も用いた多層構造からなる。金属としては、例えば、アルミニウムまたは銀など低抵抗のものが好ましい。検出電極２０３（図２参照）についても同様である。配線材料として金属を用いることによって、配線抵抗を低くすることができる。一方で、金属配線は、不透明であるので、視認されやすい。視認性を低くしかつタッチスクリーンの透過率を高くするためには、金属配線に細線構造が付与されればよい。細線構造は典型的にはメッシュ状である。
【００３６】
行方向配線層２０６の各々は、行方向（図中ｘ方向）に沿って延在しており、列方向配線層２０７の各々は列方向（図中ｙ方向）に沿って延在している。複数の行方向配線層２０６は列方向において間隔を空けて配列されており、複数の列方向配線層２０７は行方向において間隔を空けて配列されている。図８に示すように、平面視において、行方向配線層２０６の各々は複数の列方向配線層２０７と交差しており、列方向配線層２０７の各々は複数の行方向配線層２０６と交差している。行方向配線層２０６と列方向配線層２０７とは、層間絶縁層２０４によって絶縁されている。
【００３７】
層間絶縁層２０４は、有機絶縁膜の単層膜、無機絶縁膜の単層膜、または多層膜からなる。耐湿性の向上には無機絶縁膜が優れており、平坦性の向上には有機絶縁膜が優れている。無機絶縁膜としては、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化窒化膜などの透明性シリコン系無機絶縁膜、または、アルミナなどの金属酸化物からなる透明性無機絶縁膜が用いられる。有機絶縁膜の材料としては、シリコン酸化物、シリコン窒化膜もしくはシリコン酸化窒化膜からなる主鎖を有し、かつその側鎖もしくは官能基に結合した有機物を有する高分子材料、または、炭素からなる主鎖を有する熱硬化性樹脂を用いることができる。熱硬化性樹脂としては、例えば、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ノボラック樹脂、またはオレフィン樹脂が挙げられる。
【００３８】
タッチスクリーン２５０ａの行方向配線層２０６のそれぞれは、引き出し配線層Ｒ（１）〜Ｒ（ｍ）によってタッチスクリーン端子部２０８に接続されている。列方向配線層２０７のそれぞれは、引き出し配線層Ｃ（１）〜Ｃ（ｎ）によってタッチスクリーン端子部２０８に接続されている。タッチスクリーン端子部２０８は、基板２０１の端部に設けられている。
【００３９】
引き出し配線層Ｒ（１）〜Ｒ（ｍ）は、検出可能エリアの外側に配置されており、タッチスクリーン端子部２０８の配列の中央に近いものから順に、ほぼ最短距離が得られるように、対応する電極へと延びている。引き出し配線層Ｒ（１）〜Ｒ（ｍ）は、相互の絶縁を確保しつつ、なるべく密に配置されている。引き出し配線層Ｃ（１）〜Ｃ（ｎ）についても同様である。このような配置とすることによって、基板２０１のうち検出可能エリアの外側の部分の面積を抑えることができる。
【００４０】
引き出し配線層Ｒ（１）〜Ｒ（ｍ）の群と、引き出し配線層Ｃ（１）〜Ｃ（ｎ）の群との間に、シールド配線層２０９が設けられてもよい。これにより、一方の群からの影響で他方の群にノイズが発生することが抑制される。また、表示パネル３００（図２参照）から発生する電磁ノイズが引き出し配線層へ及ぼす影響を低減することができる。シールド配線層２０９は、行方向配線層２０６または列方向配線層２０７と同時に同材料で形成されてもよい。
【００４１】
絶縁層２０５は、タッチスクリーン端子部２０８が露出されるように基板２０１上に設けられており、行方向配線層２０６、列方向配線層２０７および層間絶縁層２０４を覆っている。絶縁層２０５は、層間絶縁層２０４と同様の材料により形成され得る。表示パネル３００が液晶パネルである場合、絶縁層２０５の、表示のための光が透過する部分の上に、液晶パネル用のアンチグレア処置が施された上部偏光板が貼り付けられてもよい。
【００４２】
図１０は、タッチスクリーン２５０（図２参照）の一例としての、静電容量方式のタッチスクリーン２５０ｂを示す平面図である。図１１は、図１０の線Ｂ１−Ｂ１および線Ｂ２−Ｂ２に沿う部分断面図である。図１０，１１の例では、いわゆるダイヤモンド構造が採用されている。
【００４３】
行方向配線層２０６および列方向配線層２０７は、同一レイヤに配置されている。列方向配線層２０７の各々は、検出電極２０３として、互いにつながった複数のダイヤモンド形状の電極を有している。行方向配線層２０６は、励起電極２０２として、互いに離れた複数のダイヤモンド形状の電極と、隣り合うダイヤモンド形状の電極間を電気的に接続するブリッジ２０６Ｂとを有している。層間絶縁層２０４は、ブリッジ２０６Ｂと列方向配線層２０７との間を絶縁するように配置されている。なお、行方向配線層ではなく列方向配線層にブリッジ構造が適用されてもよい。ブリッジを形成することにより、配線層の電気的抵抗が高くなる傾向があるので、列方向配線層および行方向配線層のうち短い方にブリッジ構造が適用されることが好ましい。
【００４４】
行方向配線層２０６および列方向配線層２０７の材料としては、例えば、酸化インジウムスズ（Indium tin Oxide：ＩＴＯ）などの透明導電膜が用いられる。ＩＴＯは、透光性を有するので、配線層が使用者に視認される可能性が低くなる。ＩＴＯなどの透明導電膜は、比較的高い電気抵抗を有するので、配線抵抗が問題とならない小型のタッチスクリーンへの適用が適している。また、ＩＴＯなどの透明導電膜は、他の金属配線との間での腐食によって配線が断線しやすいので、腐食を防止するために、耐湿性および防水性への配慮を要する。
【００４５】
なお、上記ではタッチスクリーンの構造と表示パネルの構造とが独立している場合について説明したが、これらが不可分に一体化されていてもよい。例えば、いわゆるオンセルタッチパネルの場合は、タッチスクリーンが、基板２０１を用いることなしに表示パネル３００の基板（典型的にはカラーフィルタ基板）上に直接形成される。いわゆるインセルタッチパネルの場合は、表示パネル３００が有する２つの透明絶縁基板（図示せず）の間にタッチスクリーンが形成される。
【００４６】
また、上記のタッチスクリーンでは、行方向配線層２０６と列方向配線層２０７で構成される検出構造を示したが、この構造に限らない。例えば、図１２は、検出電極と励起電極で構成されるセグメントをマトリクス状に並べた検出構造を有するタッチスクリーン２５０ｃの構成を概略的に示す平面図である。図１３および図１４は、図１２中のエリアＡのセグメント内に配置されている励起電極２０２ａおよび検出電極２０３ｂのパターン形状の一例を示したものである。図１３および図１４に示されるような励起電極２０２ａおよび検出電極２０３ｂを１セットとしたセグメントをマトリクス状に並べて個々に駆動するセグメント構造のタッチスクリーン２５０ｃを用いる。駆動回路でのスイッチ切り替えにより、触覚提示パネル１００ａおよびタッチパネル２００を兼用することも可能である。
【００４７】
＜感圧センサ＞
図１に示す感圧センサ２１６について説明する。一般的に、感圧センサ２１６には、半導体Ｓｉ（シリコン）からなるダイヤフラム（隔膜）に加わる圧力を膜の変形として検出する方式、押圧力に応じて生じる表示パネルまたはタッチパネルなどの変形を静電容量の変化で検出する静電容量式、押圧力に応じた歪みによる金属線の抵抗変化を検出する抵抗式などがある。
【００４８】
静電容量式の場合、例えば、表示パネル３００の表示面とは反対側の面上に、対角線上の対称的な４か所に感圧センサ２１６を設置する。この場合、触覚提示タッチディスプレイ１の操作面を触覚提示つまみ３で押し込むと、その押圧力により触覚提示タッチディスプレイ１が操作面とは反対面側の方向に撓んだり、触覚提示タッチディスプレイ１が操作面とは反対側の面方向に微小に移動したりする。感圧センサ２１６は、当該感圧センサ２１６内に配置されている容量検出電極間の間隔が狭くなることで生じる容量変化を検出することにより押圧力を検知する。感圧センサ２１６内の各容量検出電極は、触覚提示タッチディスプレイ１の操作面と平行であり、かつ任意の間隔を空けて設置されている。
【００４９】
静電容量式以外の方式の場合も、触覚提示タッチディスプレイ１を構成する部材のいずれかの押圧力による形状変化を検出することで押圧力を検知する。
【００５０】
なお、図１では、感圧センサ２１６を表示パネル３００の下側（表示面とは反対側）に配置したが、これに限るものではない。感圧センサ２１６は、触覚提示タッチディスプレイ１の構造において形状変化と押圧力との関係の再現性が良く、押圧力による形状変化が大きく、かつ感圧センサ２１６の感度が最も良い位置に配置すればよい。なお、感圧センサ２１６の代わりに、例えば表示パネル３００の裏面にマトリクス状にセンサを配置したシート状の圧力センサを配置してもよい。また、これに限らず、検出に最適な方式の圧力センサを配置することができる。
【００５１】
＜触覚提示パネル＞
図１５は、触覚提示スクリーン１５０の構成を概略的に示す平面図である。図１６は、触覚電極１０２と触覚提示つまみ３との間での静電容量ＣＮＥの形成を説明する模式図である。
【００５２】
上述した通り、触覚提示スクリーン１５０は、透明絶縁基板１０１と、触覚電極１０２と、誘電体層１０６とを有している。さらに、透明絶縁基板１０１の端部には触覚提示パネル端子部１０７が設けられており、透明絶縁基板上には複数の引き出し配線層１０５が配置されている。誘電体層１０６は、触覚提示パネル端子部１０７が露出されるように設けられている。触覚電極１０２は、引き出し配線層１０５を介して触覚提示パネル端子部１０７に接続されている。触覚提示パネル端子部１０７には、ＦＰＣ１０８（図１参照）を介して電圧供給回路１１０（図２参照）が接続されている。なお、引き出し配線層１０５の詳細については後述する。
【００５３】
触覚電極１０２の各々は、延在方向（図１５における縦方向）に沿って延びている。複数の触覚電極１０２は、配列方向（図１５における横方向）に沿って、間隔を空けて配列されている。図１５の例では、透明絶縁基板１０１は、長辺および短辺を有する長方形状を有している。従って、触覚提示スクリーン１５０も、透明絶縁基板１０１に対応して長辺および短辺を有している。図１２の例では、配列方向は長辺に沿っている。触覚提示スクリーン１５０の観察者にとっての水平方向が長辺に沿っている場合、上記配列方向は水平方向に沿っている。
【００５４】
上記では、触覚提示スクリーン１５０において、触覚電極１０２が延在方向に伸びて配列方向に沿って配列されている例を示したが、触覚電極１０２の構造はこれに限らず、例えば図１７に示す触覚提示パネル１００ａのように複数のセグメントをマトリクス状に配置した構成としてもよい。図１８および図１９は、図１７中のエリアＡのセグメント内に配置されている触覚電極１０２パターン形状の一例を示したものである。触覚電極１０２の形状は、図１８および図１９のような形状に限らず、第１電極１０２ａおよび第２電極１０２ｂが隣り合う構造で異なるエリア間の電極との相互容量よりも、同一エリア内の相互容量の方が大きくなるような構造であればよい。具体的には、同一エリア内の第１電極１０２ａと第２電極１０２ｂとの距離が、異なるエリア間の第１電極１０２ａと第２電極１０２ｂとの距離よりも狭くなるように配置するとよい。これにより、タッチパネル２００の検出電極２０３と触覚電極１０２との間に形成される容量のタッチ検出精度への影響を抑制できるため、触覚電極１０２の配線抵抗をより低くすることが可能となり、より触覚強度（触感）を向上させることが可能となる。
【００５５】
触覚電極１０２と触覚提示つまみ３との間で形成される静電容量ＣＮＥが大きいほど強い触覚を提示することが可能である。この観点では、触覚電極１０２の面積は大きい方が好ましい。触覚電極１０２の面積の大きさが優先される場合、触覚電極１０２への微細構造の付与によって触覚電極１０２を視認され難くすることは困難となる。触覚電極１０２の面積を大きくしつつ触覚電極１０２が視認され難くするために、触覚電極１０２は透明導電膜によって形成され得る。透明導電膜の典型的な材料としてＩＴＯがある。ＩＴＯなどの透明導電膜は、金属に比べて比較的高い電気抵抗を有するので、配線抵抗が問題とならない小型のタッチスクリーンへの適用が適している。配線抵抗が問題となる大型のタッチスクリーンへの適用が必要な場合は、ＩＴＯ膜厚を厚くするか、ドーパントの含有率を増やして抵抗率を低減させる。この場合、ＩＴＯの光吸収率が変化してタッチスクリーンが着色して見える場合があるので、ディスプレイの色味の調整等が必要になる場合がある。また、ＩＴＯなどの透明導電膜は、他の金属配線との間での腐食によって配線が断線しやすいので、電極を他の金属との積層構造により配線抵抗を低くする場合は、腐食を防止するために耐湿性および防水性への配慮を要する。
【００５６】
上記のような透明導電膜を用いる代わりに、触覚電極１０２は、金属の単層膜もしくは多層膜、または、これらのいずれかを含みかつ他の導電材料も用いた多層構造を有する電極（以下、「金属膜含有電極」ともいう）であってもよい。金属としては、例えば、アルミニウムまたは銀など低抵抗のものが好ましい。金属膜含有電極を用いることによって配線抵抗を低くすることができる。一方、金属膜は、不透明であるので視認されやすい。従って、金属膜を視認され難くするためには、金属膜含有電極に細線構造が付与されればよい。細線構造は典型的にはメッシュ状である。
【００５７】
誘電体層１０６は、有機絶縁膜の単層膜、無機絶縁膜の単層膜、または多層膜からなる。多層膜の場合、異なる種類の有機絶縁膜が積層されてもよく、あるいは異なる種類の無機絶縁膜が積層されてもよく、あるいは有機絶縁膜と無機絶縁膜とが積層されてもよい。無機絶縁膜は、高い不透湿性と、高い硬度と、高い耐摩耗性とを有している。誘電体層１０６上で触覚提示つまみ３が回転することから、誘電体層１０６は高い耐摩耗性を要する。有機絶縁膜は、高い平坦性を得るためには好ましいものの、硬度が低く耐磨耗性が低い。このため、高い平坦性と高い耐摩耗性との両方を得るには、有機絶縁膜上に無機絶縁膜を形成することが好ましい。無機絶縁膜としては、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化窒化膜などの透明性シリコン系無機絶縁膜、または、アルミナなどの金属酸化物からなる透明性無機絶縁膜が用いられる。有機絶縁膜の材料としては、シリコン酸化物、シリコン窒化膜もしくはシリコン酸化窒化膜からなる主鎖を有し、かつその側鎖もしくは官能基に結合した有機物を有する高分子材料、または、炭素からなる主鎖を有する熱硬化性樹脂を用いることができる。熱硬化性樹脂としては、例えば、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ノボラック樹脂、またはオレフィン樹脂が挙げられる。
【００５８】
静電容量ＣＮＥは、下記の式（１）によって表される。
ＣＮＥ＝Ｑ／Ｖ＝εＳ／ｄ  ・・・（１）
【００５９】
ここで、Ｑは導電性弾性部６および触覚電極１０２の各々に蓄えられる電荷量、Ｖは触覚提示つまみ３と触覚電極１０２との間の電圧、εは誘電体層１０６の誘電率、Ｓは誘電体層１０６を介しての導電性弾性部６と触覚電極１０２との接触面積、ｄは誘電体層１０６の厚さである。静電容量ＣＮＥは、誘電率εに比例しており、膜厚ｄに反比例している。
【００６０】
上記の式（１）から、静電容量ＣＮＥを大きくするためには誘電率εが高いことが好ましい。具体的には、誘電体層１０６が、１０以上の比誘電率を有する膜（以下、「高誘電率絶縁膜」とも称する）を含むことが好ましい。高誘電率絶縁膜では、外部から印加される電場により材料内に正負電荷が変位している状態が生じる（これを一般的に誘電分極と呼ぶ）。誘電分極は、電圧が保持されている間は分極によって生じた電荷（一般的に分極電荷と呼ぶ）が維持され、電圧が低下すると分極電荷が減少して誘電分極が低下し、印加電圧をゼロボルトにすると誘電分極も消失する。誘電分極の方向は、電場によって変化することができる。高誘電率絶縁膜は、単層で用いられてもよく、他の低誘電率の無機絶縁膜もしくは有機絶縁膜、または他の高誘電率絶縁膜と積層することによって多層膜として用いられてもよい。一般に誘電率が高いほど屈折率も高いことから、高誘電率絶縁膜と低誘電率絶縁膜とを積層することによって、高屈折率膜と低屈折率膜との積層構造が得られる。この積層構造によって、誘電体層１０６は、反射防止膜としても機能し得る。
【００６１】
また上記の式（１）から、静電容量ＣＮＥを大きくするためには厚さｄが小さいことが好ましい。高誘電率絶縁膜と有機絶縁膜とを積層することで、十分な絶縁性を確保しつつ、有機絶縁膜の膜厚を薄くすることができる。これにより誘電体層１０６の厚さｄを小さくすることができる。
【００６２】
触覚電極が、マトリクス構造（すなわち、互いに交差するＸ電極およびＹ電極を有する構造）であったと仮定すると（例えば特開２０１５−０９７０７６号公報参照）、Ｘ電極とＹ電極との交差部には段差、すなわち凹凸、が生じる。この凹凸は、それを被覆する絶縁層の厚さが大きければ平坦化されるが、静電容量ＣＮＥの過度な低下を避けるためには、絶縁層の厚さには限界がある。このため、触覚提示スクリーンの表側面に凹凸が生じ得る。この凹凸のテクスチャ感が、触覚電極からの静電気力によってもたらされるテクスチャ感と混合すると、意図されたテクスチャ感を使用者へ与え難くなる。表面形状の平坦化効果がある有機絶縁膜が誘電体層１０６として用いられる場合は、上記凹凸の発生は避けられるものの、平坦化のためにはある程度大きな厚さを要するので、静電容量ＣＮＥの低下は避けられない。
【００６３】
これに対して本実施の形態１によれば、触覚電極１０２が交差部を有しないので、凹凸の大きさが触覚電極１０２の厚さ程度に抑えられる。これにより、平坦化効果を有する有機膜の薄膜化、または、平坦化効果の低い高誘電率絶縁膜の適用が可能になる。これにより、静電容量ＣＮＥをマトリクス構造の場合よりも大きくすることができる。また、触覚提示スクリーン１５０の触覚提示つまみ３との接触面に凹凸が少ないため、信号電圧を印加していないときに表面凹凸起因の触覚を触覚提示つまみ３に与えないため、信号電圧を印加した際の触覚提示つまみ３の触覚がより明瞭になる。
【００６４】
また、静電容量ＣＮＥが同じであっても、触覚提示つまみ３が誘電体層１０６上において滑りやすければ、触覚提示つまみ３と触覚電極１０２との間の静電気力の変化が摩擦力の変化として使用者に知覚されやすくなる。これにより、使用者に対してより大きな触覚を与えることができる。誘電体層１０６上において触覚提示つまみ３を滑りやすくするためには、誘電体層１０６と触覚提示つまみ３との間の密着力を抑制する必要がある。そのために、例えば、誘電体層１０６の最表面に、または、導電性弾性部６の誘電体層１０６との接触面に、またはその両方に、誘電体層１０６の内部に比して高い撥水性を有する膜が設けられてもよい。
【００６５】
＜電極ピッチ＞
図２０は、触覚電極１０２のピッチＰＥが触覚提示つまみ３の直径ＲＦＥよりも大きい場合における、触覚電極１０２と触覚提示つまみ３との間で形成される静電容量ＣＮＥを説明する模式図である。図２１は、触覚電極１０２のピッチＰＥが直径ＲＦＥよりも小さい場合における、触覚電極１０２と触覚提示つまみ３との間で形成される静電容量ＣＮＥを説明する模式図である。
【００６６】
本実施の形態１では、上述の通り、隣り合う第１電極１０２ａおよび第２電極１０２ｂのそれぞれに、周波数の異なる電圧信号Ｖａ（図５参照）および電圧信号Ｖｂ（図６参照）を印加することによって、振幅変調信号ＶＮ（図７参照）に対応する静電気力を発生させる。これにより、誘電体層１０６と触覚提示つまみ３との間の摩擦力が振幅変調信号ＶＮのうなりの周波数に対応して変化し、この変化を使用者が触覚として知覚する。図２０に示された状態では、触覚提示つまみ３に電圧信号Ｖａのみが作用し電圧信号Ｖｂが作用しないので、振幅変調信号ＶＮが発生せず触覚が生成されない。一方、触覚提示つまみ３が第１電極１０２ａと第２電極１０２ｂとの境界の上方に位置した場合は、触覚が生成される。従って、図２０の構成では、触覚提示つまみ３の位置によって触覚が生成する位置としない位置とがあることになる。これに対して、図２１に示された状態では、触覚提示つまみ３の位置に関わらず触覚提示つまみ３へ電圧信号Ｖａおよび電圧信号Ｖｂの両方が作用し、これにより振幅変調信号ＶＮが発生する。従って、図２１の構成においては、触覚提示つまみ３の位置によらず触覚を感じることができ、触覚提示つまみ３の位置を任意に設定できる。つまり、触覚提示つまみ３が第１電極１０２ａおよび第２電極１０２ｂを跨るように位置しやすくするには、例えば後述する図２２に示す導電性弾性部６のように分割している場合は、導電性弾性部６の幅６ｂが触覚電極１０２のピッチＰＥよりも大きいことが好ましい。また、導電性弾性部６が幾つかに分割していない場合は、導電性弾性部６の外径６ａが、触覚電極１０２のピッチＰＥよりも大きいことが好ましい。
【００６７】
＜触覚提示つまみの構造＞
図２２は、触覚提示つまみ３の回転部４の構造を示す模式図である。図２３は、触覚提示つまみ３を置く位置が１か所に固定される場合における、回転部４を触覚提示パネル１００の接触面上に置いて回転させる際の固定部５の模式図である。図２４は、触覚提示つまみ３の回転部４を触覚提示パネル１００の接触面上に置いて回転させる際に水平移動を抑制する回転軸部５ａの模式図である。回転部４および固定部５（回転軸部５ａ）は、共にアルミニウム、ＳＵＳ、銅などの金属、およびポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、アクリル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニリデン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリアセタール、超高分子量ポリエチレン、ポリアリレート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、熱可塑性ポリイミド、ポリフェニレンスルフィッド、液晶性ポリマ、ポリエーテルエーテルケトン、フッ素樹脂などの樹脂からなる。触覚提示つまみ３の重量によって操作感および触覚が変化するので、ユーザーの好み、触覚提示つまみ３の使用環境、および使用目的などに応じて材料を選択する。回転部側面１０は、導電性弾性部６および指示体２（図３１参照）と電気的に接続する必要があるため、回転部側面１０の指示体２と接触する表面部１０ｓおよび境界部導電部１６ｓは、金属または導電性樹脂材料（抵抗１０３Ω以下が望ましい。）からなる。表面部１０ｓおよび境界部導電部１６ｓの抵抗値は、触覚電極１０２の配線抵抗、導電性弾性部６の抵抗、誘電体層１０６との間で形成されるＲＣ回路において触覚電極１０２と導電性弾性部６の間に形成される容量Ｃが最も大きくなるような値に設定されることが望ましい。
【００６８】
触覚提示つまみ３は、軸部１４の形状と固定穴９の穴部の形状と同じ円柱形状をしており、固定部５（回転軸部５ａ）の軸部１４を回転部の固定穴９に差し込んで一体化したものをいう。軸部１４と固定穴９の間の隙間は、回転部４がスムーズに回る範囲内でできる限り隙間が狭いことが望ましい。軸部１４と固定穴９との隙間が狭いと、触覚提示つまみ３を回転したときの回転軸のブレが小さくなり、回転軸のブレにより生じた回転部４の揺れおよび振動などの本来触覚提示つまみ３に付与するはずの触覚とは異なる触覚を指示体２に与えることを抑制し、使用者に付与する触覚がより明瞭になる。回転部４がスムーズに回転するためには、軸部１４の表面および固定穴９の内面部における表面の凹凸ができるだけ少ない方が望ましく、いずれも表面粗さがＲａ０．５μｍ以下であることが望ましい。固定穴９の内径公差は、０〜＋０．５ｍｍ、軸部１４の外径公差は、−０．０００５ｍｍが望ましい。
【００６９】
固定部５（回転軸部５ａ）は、回転部４が回転する際の回転軸となる部分であり、触覚提示パネル１００の操作面と回転部４の回転軸が垂直を保つ役割をする。そのため、固定部５（回転軸部５ａ）の軸部１４の中心は底面部１５および接着部１７（軸構造体保持部１７ａ）と直交しており、接着部１７（軸構造体保持部１７ａ）の底面は平坦であり、導電性弾性部６の触覚提示パネル１００との接触面と接着部１７（軸構造体保持部１７ａ）は、同一平面上に位置する。なお、図２３では接着部１７の直径と固定台１３の直径が同一の場合を示したが、図２４のように軸構造体保持部１７ａの直径と固定台１３の直径が異なっていてもよい。
【００７０】
回転部４を回転させる際に指示体２が接する回転部４の回転部側面１０の表面部１０ｓおよび境界部導電部１６ｓは、導電性材料からなり、導電性弾性部６および位置検出部７にも電気的に接続している。使用者の回転部４の表面への接触有無を検知し、導電性弾性部６に電荷が蓄積するのを抑制する。表面部１０ｓおよび境界部導電部１６ｓは、導電性弾性部６と同様の材料からなる。特に、抵抗の低い金属であることが望ましく、樹脂等で回転部４を形成した後、金属メッキなどでコーティングをして表面部１０ｓおよび境界部導電部１６ｓを形成してもよい。詳細については後述する。
【００７１】
導電性弾性部６は、触覚電極１０２と静電容量を形成する導電体である。導電性弾性部６は、２つ以上に分割されており、触覚強度が低下するのを防止する。この効果の詳細については、後述する。導電性弾性部６が弾性を有することにより、密着性低下による触覚強度低下を抑制する効果がある。回転部４や固定部５（回転軸部５ａ）の加工精度や触覚提示スクリーン１５０の組み立て精度に起因する平坦度の低下や凹凸や触覚提示パネル１００の表面の微小な凹凸などにより、導電性弾性部６と触覚提示パネル表面の密着性が減少すると、触覚電極１０２と導電性弾性部６とが誘電体層だけでなく誘電率が小さい空気を介して静電容量を形成することになり、触覚電極１０２と導電性弾性部６との間に形成する静電容量が減少し、触覚強度の低下を招いてしまう。導電性弾性部６が弾性を有することにより凹凸による誘電体層と導電性弾性部６との隙間を埋め、密着性低下による触覚強度の低下の防止が可能となる。導電性弾性部６に用いる材料としては、ＣＮＲ、ＣＲゴム、ＮＢＲゴム、シリコン、フッ素ゴム、ＥＰＴゴム、ＳＢＲ、ブチルゴム、アクリルゴム、またはＣＳＭゴムを基材とし、導電性カーボンブラックまたは金属粉末などの導電性物質を混合した導電性ゴムと呼ばれる弾性のある樹脂材料が好ましい。体積固有抵抗は、１０６Ωｃｍ以下であればよく、体積固有抵抗が低ければ低いほど導電性弾性部６に電荷が蓄積し難くなる。導電性弾性部６への電荷蓄積についての詳細は後述する。また、触覚電極１０２と静電容量を形成するので、耐圧特性が可能な限り高い方が導電性弾性部６の寿命や信頼性が向上するので望ましい。位置検出部７は、タッチスクリーン２５０の検出電極２０３と静電容量を形成して、触覚提示つまみ３の位置や回転量の検出に用いる。
【００７２】
位置検出部７を形成する材料は、検出電極２０３と静電容量が形成できる導電体で、導電性弾性部６と同様に弾性を有し、導電性弾性部６と同じ材料を用いてもよい。触覚提示パネル１００との密着性がよい方が設計値と実際の静電容量値に差異が生じ難く、安定した位置検出精度が得られる。
【００７３】
導電性弾性部６および位置検出部７を同一の厚みにすることにより、触覚提示パネル１００の表面との間に隙間を作らずに密着するようにすると、強い触覚強度や高精度な位置検出が得られる。導電性弾性部６および位置検出部７と触覚提示パネル１００とが接する面の平面度（ある基準面からの距離を測定し、測定値の最大値と最小値の差分）は、０．５ｍｍ以下であることが望ましい。また、タッチパネルを操作するときのタッチ面に対する人の指の接触面積の直径は、子供が３ｍｍ、大人が最大７〜１０ｍｍ程度であるといわれていることから、位置検出部７の面積は７ｍｍ２以上４００ｍｍ２以下であると考えてよい。
【００７４】
＜つまみ位置および回転量の検出＞
図２５は、触覚提示つまみ３の位置検出時のタッチパネル２００が検出した際の線Ｃ−Ｃの容量プロファイルを説明する模式図である。触覚提示つまみ３への触覚発生と触覚提示つまみ３の位置検出は、時間分割で行う。触覚電極１０２に信号電圧が印加されている期間において、検出電極２０３および励起電極２０２は、０Ｖまたは触覚電極１０２と静電容量を形成して触覚電極１０２にかかる電圧低下を招かないように任意の電圧を印加する。検出電極２０３が位置検出している際、触覚電極１０２はフローティング状態にし、触覚電極１０２を介して導電性弾性部６と検出電極２０３が静電容量を形成することで励起電極２０２と検出電極２０３との静電容量の変化量を検出することで、触覚提示つまみ３の位置を検出する。
【００７５】
検出電極２０３は、位置検出部７と導電性弾性部６の両方と静電容量を形成して静電容量を検出する。その際、隙間８があるので、位置検出部７との静電容量プロファイルと導電性弾性部６との静電容量プロファイルは、異なる位置にピークを有し、それぞれの位置を分別して検出する。
【００７６】
触覚提示つまみ３の回転量は、位置検出部７が１つの場合は、位置検出部７の初期位置からの移動量から回転方向のみの移動として回転量を算出する。位置検出部７は、必ずしも１つでなくてもよい。図２６に示すように位置検出部７が複数個の場合、初期位置（Ｐ１，Ｐ２）での各位置検出部７間の方向ベクトルＰ１−Ｐ２と移動後の位置（Ｐ１’，Ｐ２’）での方向ベクトルＰ１’−Ｐ２’から回転量θを算出することができる。
【００７７】
図２６において、回転中心をＰ０、並進移動量をＴｘｙ、回転角θの座標変換行列をＲ、単位行列をＩとすると、以下の式（２）および（３）からＰ１’−Ｐ２’は式（４）で表される。
Ｐ１’＝Ｒ・Ｐ１−（Ｒ−Ｉ）・Ｐ０＋Ｔｘｙ  ・・・（２）
Ｐ２’＝Ｒ・Ｐ２−（Ｒ−Ｉ）・Ｐ０＋Ｔｘｙ  ・・・（３）
Ｐ１’−Ｐ２’＝Ｒ・（Ｐ１−Ｐ２）  ・・・（４）
【００７８】
なお、座標変換行列Ｒが単位行列Ｉに等しい（Ｒ＝Ｉ）場合は並進動作であり、Ｔｘｙは以下の式（５）で表される。
Ｔｘｙ＝Ｐ１’−Ｐ１  ・・・（５）
【００７９】
また、触覚提示つまみ３の操作範囲が３６０度を超える設定とする場合は、位置検出部７の回転角および回転角変化方向を参照し３６０度×ｎ（ｎは整数）の加減算補正を行うことで初期位置からの回転角度を算出できる。算出に用いる各位置検出部７のペア数が多いほど回転角の測定精度が向上するが、導電性弾性部６の面積が少なくなるので、触覚強度と回転角の測定精度のバランスで位置検出部７の数は決定される。触覚提示つまみ３の指示位置を示す指示位置線１１（図２２参照）を回転部４に配置し、つまみ位置の視覚化を図ってもよい。指示位置線１１を配置した場合、指示位置線１１の直下に位置検出部７を配置することで、指示位置線１１の初期状態としてあるべき位置（原点）からの移動量として計算できるので計算処理の簡易化が図れる。
【００８０】
＜電極間距離＞
図２７は、触覚提示つまみ３における導電性弾性部６および位置検出部７の位置関係の一例を示したものである。隣り合う導電性弾性部６との間に位置検出部７が配置されている場合の導電性弾性部６と位置検出部７との間の距離を隙間８、隣り合う導電性弾性部６との間に位置検出部７が配置されていない場合の導電性弾性部６間の距離を隙間８ａで示す。電極の厚さに起因する凹凸が触覚提示パネル１００の表面にある場合、導電性弾性部６が誘電体層１０６を介して触覚電極１０２に接触しながらスライドすると、表面の凹凸よって触覚提示つまみ３が振動する。この振動は、触覚電極１０２に印加される電圧信号とは無関係に、指示体２に感知されてしまう。その結果、当該電圧信号によって得られる触覚を指示体２が感じ難くなり得る。言い換えれば、触覚強度が低下し得る。
【００８１】
触覚提示パネル１００の表面に凹凸があったとしても、それを指示体２が感じやすいか否かは、後述するように触覚電極１０２の電極間間隔に依存する。より大きな凹凸が許容されるほど、凹凸緩和のために誘電体層１０６の厚さを大きくする必要性が低くなる。すなわち、誘電体層１０６の厚さを小さくすることが許容される。これにより、導電性弾性部６と触覚電極１０２との間に形成される容量を大きくすることができる。よって、より強い触覚を発生させることができる。また、触覚電極１０２の電極間距離が導電性弾性部６と位置検出部７との間の隙間８よりも広いと、導電性弾性部６のエッジ部１８（図２７参照）が触覚電極１０２の電極間距離起因の表面の凹凸に引っかかり、意図しない触覚が触覚提示つまみ３に生じてしまうので、触覚電極１０２の電極間距離は、隙間８よりも狭い方が望ましい。また、触覚電極１０２の電極間距離が狭い方が、触覚電極１０２の専有面積が大きくなり、導電性弾性部６と形成する静電容量が大きくなり、得られる触覚強度も大きくなるので望ましい。
【００８２】
＜触覚提示タッチパネルの詳細構成＞
図２８は、触覚提示タッチパネル４００の構成を概略的に示すブロック図である。ここでは、複数の励起電極２０２として励起電極Ｔｙ（１）〜Ｔｙ（ｍ）が設けられ、複数の検出電極２０３として検出電極Ｔｘ（１）〜Ｔｘ（ｎ）が設けられ、複数の触覚電極１０２として触覚電極Ｈ（１）〜Ｈ（ｊ）が設けられているとする。触覚電極Ｈ（１）〜Ｈ（ｎ）は、括弧内の数字に従って順に並んでおり、奇数の触覚電極１０２は第１電極１０２ａに対応しており、偶数の触覚電極１０２は第２電極１０２ｂに対応している。また、説明を簡略化するために、１つの励起電極２０２によって１つの行方向配線層２０６（図８または図１０参照）が構成され、かつ１つの検出電極２０３によって１つの列方向配線層２０７（図８または図１０参照）が構成されているものとする。
【００８３】
上述の通り、触覚提示タッチパネル４００は、タッチパネル２００と、触覚提示パネル１００とを有している。タッチパネル２００は、タッチスクリーン２５０と、タッチ検出回路２１０とを有している。触覚提示パネル１００は、触覚提示スクリーン１５０と、電圧供給回路１１０とを有している。
【００８４】
タッチ検出回路２１０は、励起パルス発生回路２１５と、電荷検出回路２１２と、タッチ座標算出回路２１４と、タッチ検出制御回路２１３とを有している。タッチ検出制御回路２１３は、励起パルス発生回路２１５、電荷検出回路２１２、およびタッチ座標算出回路２１４の動作を制御する。励起パルス発生回路２１５は、励起電極Ｔｙ（１）〜Ｔｙ（ｍ）へ、順次、励起パルス信号を印加する。電荷検出回路２１２は、検出電極Ｔｘ（１）〜Ｔｘ（ｎ）の各々から得られる信号を測定する。これにより電荷検出回路２１２は、検出電極Ｔｘ（１）〜Ｔｘ（ｎ）の各々の電荷量を検出する。電荷検出結果の情報は、ｋを１以上ｍ以下の整数として、励起電極Ｔｙ（ｋ）に励起パルス信号が付与されたときの励起電極Ｔｙ（ｋ）と検出電極Ｔｘ（１）〜Ｔｘ（ｎ）の各々との相互容量に対応した値を表す。なお、電荷検出回路２１２は、タッチ検出制御回路２１３からの制御信号によって、励起電極Ｔｙ（１）〜Ｔｙ（ｍ）のうちのどれに励起パルス信号が印加されているかを認識することができる。タッチ座標算出回路２１４は、上記電荷検出結果に基づいて、指示体２がタッチした座標のデータ（以下、「タッチ座標データ」という）を得る。
【００８５】
タッチ座標データは、つまみ移動量算出回路２２０へ出力されると共に、タッチ動作情報として触覚形成条件変換回路１２０、触覚提示制御回路１１４（触覚制御回路）および移動方向予測回路２３０へも出力される。つまみ移動量算出回路２２０は、つまみの移動量として回転角、回転速度、水平移動距離の情報を触覚形成条件変換回路１２０（触覚強度算出回路）、表示画面処理回路３２１および移動方向予測回路２３０へ出力する。触覚形成条件変換回路１２０は入力された情報を基に算出した触覚強度（操作感強度）を実現する電気信号条件を触覚提示制御回路１１４へ出力する。移動方向予測回路２３０は、タッチ動作情報およびつまみの移動量に基づいて、触覚提示つまみ３の位置変化から触覚提示つまみ３の移動する方向を予測する。具体的には、触覚提示つまみ３の移動方向の予測は、位置検出部７が１つの場合は、タッチパネル２００の座標上における位置検出部７の初期位置と次の検出位置とを結んだ直線を次の検出位置方向に延ばした方向を移動方向とする。位置検出部７は、必ずしも１つでなくてもよい。図２６に示すように位置検出部７が複数個の場合、初期位置（Ｐ１，Ｐ２）と移動後の位置（Ｐ１’，Ｐ２’）のＰ１とＰ１’またはＰ２とＰ２’を結んだ直線を移動後の位置の方向に延ばした方向を移動方向とすればよい。
【００８６】
このように、タッチ検出回路２１０は、触覚提示つまみ３と触覚提示パネル１００の操作面との接触位置を検出する接触位置検出部の機能を有する。なお、当該接触位置検出部の機能は、触覚提示パネル１００が有してもよい。
【００８７】
表示画面処理回路３２１は、画像情報、例えば、アイコンリスト、温度、湿度、音量等の室内環境設定値、場所、地域、施設名、ＴＶ放送局名、ラジオ放送局名および放送周波数、楽曲、映像タイトル、ニュース、Ｗｅｂサイト名、電話帳等の文字リスト、地図情報（２次元、３次元）、ルート情報、ドラマ、映画、アニメ、ニュース、録画等の映像情報を編集して画像データとし、表示パネル３００（図１参照）に画像信号を供給する回路（図示せず）に転送する。また、ユーザーインターフェース制御回路２４０にも接続され、ユーザーインターフェース制御回路２４０からの制御を受けて表示パネル３００の表示画面を分割するなどの処理を行う。
【００８８】
ユーザーインターフェース制御回路２４０は、分割された表示画面のそれぞれの分割領域で、制御対象および制御対象に応じた触覚を設定し、表示画面処理回路４２１および触覚形成条件変換回路１２０を制御する。
【００８９】
触覚形成条件変換回路１２０は、つまみの移動量に対応する触覚形成条件、例えば触覚強度を設定する。設定した触覚形成条件に基づいて電圧供給回路１１０の触覚提示制御回路１１４が触覚形成条件変換回路１２０で設定された触覚強度に基づいて触覚提示電圧生成回路１１３の動作を制御し、触覚提示パネル１００に電圧信号を供給する。従って、触覚提示つまみ３の移動量に応じた表示パネルの表示変化とつまみから得られる触覚が同調する。
【００９０】
また、後に説明する磁力発生基板５００（図４７参照）を設ける場合は、移動方向予測回路２３０に接続した磁力発生回路２５０を設け、磁力発生回路２５０からソレノイドコイル等に電流を供給して磁力を発生させる。磁力発生回路２５０は、移動方向予測回路２３０から触覚提示つまみ３の移動する方向の情報を受け、触覚提示つまみ３の移動する方向に合わせて、磁力発生基板５００での磁力の発生位置を変更するなどの制御を行うことができる。また、移動方向予測回路２３０は、触覚提示つまみ３の移動する方向の情報を触覚提示制御回路１１４にも与え、触覚提示つまみ３の移動する方向に合わせて触覚を与える位置、強さを変更させることもできる。
【００９１】
電圧供給回路１１０は、スイッチ回路１１２と、触覚提示電圧生成回路１１３と、触覚提示制御回路１１４とを有している。触覚提示電圧生成回路１１３は、スイッチ回路１１２を介して、触覚電極Ｈ（１）〜Ｈ（ｊ）のうち第１電極１０２ａへ電圧信号Ｖａを印加し、第２電極１０２ｂへ電圧信号Ｖｂを印加する。言い換えれば、一の方向（図中、横方向）に並んだ触覚電極Ｈ（１）〜Ｈ（ｊ）に対して、電圧信号Ｖａおよび電圧信号Ｖｂが交互に印加される。スイッチ回路１１２は、触覚提示電圧生成回路１１３からの指令に基づいてオン状態またはオフ状態を取るものである。スイッチ回路１１２は、オン状態において触覚電極１０２を触覚提示電圧生成回路１１３へ接続し、オフ状態において触覚電極１０２をフローティング状態とする。本実施の形態１において、スイッチ回路１１２は、２つのスイッチ４０を有しており、一方がすべての第１電極１０２ａへの電気的経路のスイッチングを行い、他方がすべての第２電極１０２ｂへの電気的経路のスイッチングを行う。これら２つのスイッチ４０は連動して制御されてもよい。なお、スイッチ４０は、切り替え部に相当する。
【００９２】
触覚提示制御回路１１４は、触覚形成条件変換回路１２０によって算出された触覚強度の情報を参照する。触覚提示制御回路１１４は、この情報に基づいて触覚提示電圧生成回路１１３の動作を制御し得る。すなわち、タッチ検出回路２１０は、使用者が触覚提示つまみ３に接触したことを検出する接触検出部としても機能する。
【００９３】
＜触覚提示タッチパネルの動作＞
図２９は、指示体２が触覚提示つまみ３に接触していないときの励起電極２０２と検出電極２０３との静電容量のイメージを示す模式図である。図３０は、指示体２が触覚提示つまみ３に接触していないときの触覚提示タッチパネル４００（図２８参照）の動作タイミングを概略的に示すタイミングチャートである。
【００９４】
指示体２が触覚提示つまみ３に接触していないときは、導電性弾性部６および触覚電極１０２共にフローティング状態で、検出電極２０３と同電位にあり、電荷検出回路２１２は検出電極２０３は励起電極２０２との静電容量を主とする電荷量を検出する。タッチ検出制御回路２１３は、励起電極２０２の制御信号を触覚提示電圧生成回路１１３にも出力する。
【００９５】
この制御信号に基づいて、触覚提示電圧生成回路１１３は、タッチ検出期間Ｐ１を認識することができる。タッチ検出期間Ｐ１において、触覚提示電圧生成回路１１３は、スイッチ回路１１２のスイッチ４０を遮断する。これにより、触覚提示電圧生成回路１１３とすべての触覚電極１０２との間の電気的接続が遮断される。その結果、すべての触覚電極１０２の電位がフローティング状態となる。
【００９６】
次に、タッチ座標算出期間Ｐ２において、タッチ座標算出回路２１４は、電荷検出回路２１２から入力され保持された、励起電極Ｔｙ（１）〜Ｔｙ（ｍ）の各々に対応する相互容量の電荷検出結果、言い換えれば励起電極Ｔｙ（１）〜Ｔｙ（ｍ）と検出電極Ｔｘ（１）〜Ｔｘ（ｎ）とによって形成されるすべての交差部の容量の電荷検出結果に基づいて、指示体２によるタッチがあるかどうかを判定する。指などの指示体２の近接または接触によって励起電極２０２と検出電極２０３との間の電界結合が緩和される結果、相互容量における充電電荷が低下する。この低下の度合いに基づいて、タッチ座標算出回路２１４はタッチの有無を判定することができる。タッチ座標算出回路２１４は、タッチがあると判定した場合、上記電荷検出結果に基づいてタッチ座標データの算出を開始する。具体的にはタッチ座標算出回路２１４は、充電電荷の低下度合いが最も大きい交差部とその周辺の交差部とについての検出結果に対して、例えば重心演算等の演算処理を行うことによって、タッチ座標データを算出することができる。タッチ座標算出回路２１４は、タッチがないと判定した場合、タッチ座標データの算出を行わず、次の電荷検出結果の処理まで待機する。
【００９７】
ここで、指示体２の触覚提示つまみ３への接触有の判定結果が出なかった場合の動作を以下で説明する。
【００９８】
図３１は、指示体２が触覚提示つまみ３に接触しているときの励起電極２０２と位置検出部７との静電容量のイメージを示す模式図である。図３２は、指示体２が触覚提示つまみ３に接触しているときの触覚提示タッチパネル４００（図２８参照）の動作タイミングを概略的に示すタイミングチャートである。
【００９９】
指示体２が触覚提示つまみ３に接触している場合、導電性弾性部６は触覚提示つまみ３および指示体２を介して接地接続した状態になり、検出電極２０３は触覚電極１０２を介して導電性弾性部６と静電容量を形成し、検出電極２０３と励起電極２０２との静電容量が減少する。その結果、電荷検出回路２１２が検出する電荷量が減少して、指示体２が触覚提示つまみ３に接触したことが検知される。
【０１００】
タッチ検出期間Ｐ１において、タッチ検出制御回路２１３から励起パルス発生回路２１５へ、第１の変換タイミングを表す制御信号が出力される。この制御信号を受けて励起パルス発生回路２１５は励起電極Ｔｙ（１）へ励起パルス信号（充電パルス信号）を与える。これにより、励起電極Ｔｙ（１）と、それに平面視において交差する検出電極Ｔｘ（１）〜Ｔｘ（ｎ）の各々との間の電極間容量（相互容量）が充電される。電荷検出回路２１２は、検出電極Ｔｘ（１）〜Ｔｘ（ｎ）を用いて上記充電による電荷量を検出する。そして電荷検出回路２１２は、その検出結果に対してアナログ／デジタル変換（Ａ／Ｄ変換）を施し、それによって得られたデジタル情報を、励起電極Ｔｙ（１）に対応する相互容量の電荷検出結果として、タッチ座標算出回路２１４へ出力する。同様にして、タッチ検出制御回路２１３から励起パルス発生回路２１５へ、第２〜第ｍの変換タイミングを表す制御信号が順に出力される。第２〜第ｍの変換タイミングのそれぞれに対応して、励起電極Ｔｙ（２）〜Ｔｙ（ｍ）に対応する相互容量の電荷検出結果がタッチ座標算出回路２１４へ出力される。
【０１０１】
タッチ検出制御回路２１３は、上記制御信号を触覚提示電圧生成回路１１３にも出力する。この制御信号に基づいて、触覚提示電圧生成回路１１３は、タッチ検出期間Ｐ１を認識することができる。タッチ検出期間Ｐ１において、触覚提示電圧生成回路１１３は、スイッチ回路１１２のスイッチ４０を遮断する。これにより、触覚提示電圧生成回路１１３とすべての触覚電極１０２との間の電気的接続が遮断される。その結果、すべての触覚電極１０２の電位がフローティング状態となる。
【０１０２】
次に、タッチ座標算出期間Ｐ２において、タッチ座標算出回路２１４は、電荷検出回路２１２から入力され保持された、励起電極Ｔｙ（１）〜Ｔｙ（ｍ）の各々に対応する相互容量の電荷検出結果、言い換えれば励起電極Ｔｙ（１）〜Ｔｙ（ｍ）と検出電極Ｔｘ（１）〜Ｔｘ（ｎ）とによって形成されるすべての交差部の容量の電荷検出結果に基づいて、指示体２によるタッチがあるかどうかを判定する。指などの指示体２の近接または接触によって励起電極２０２と検出電極２０３との間の電界結合が緩和される結果、相互容量における充電電荷が低下する。この低下の度合いに基づいて、タッチ座標算出回路２１４はタッチの有無を判定することができる。タッチ座標算出回路２１４は、タッチがあると判定した場合、上記電荷検出結果に基づいてタッチ座標データの算出を開始する。具体的には、タッチ座標算出回路２１４は、充電電荷の低下度合いが最も大きい交差部とその周辺の交差部とについての検出結果に対して、例えば重心演算等の演算処理を行うことによって、タッチ座標データを算出することができる。
【０１０３】
次に、タッチ座標送出期間Ｐ３において、タッチ検出制御回路２１３からのタッチ座標データ送出タイミングに従って、タッチ座標算出回路２１４は、タッチ座標データは、つまみ移動量算出回路２２０へ出力されると共に、タッチ動作情報として触覚形成条件変換回路１２０および触覚提示制御回路１１４へも出力される。
【０１０４】
次に、判定期間Ｐ４において、触覚提示制御回路１１４は、タッチ座標データから触覚提示つまみ３の位置を判定し、触覚提示するエリアを決定する。
【０１０５】
触覚提示制御回路１１４は、表示画面と触覚提示つまみ３の座標に対応する触覚提示信号波形（電圧信号波形）を触覚形成条件変換回路１２０からの入力を基に選択する。この「触覚提示信号波形」は、電圧信号Ｖａおよび電圧信号Ｖｂの各々の波形を定義するものである。なお電圧信号Ｖａと電圧信号Ｖｂとの間での波形の相違は、典型的には、周波数の相違である。触覚提示信号波形は、触覚提示制御回路１１４の内部または外部において設定されている。触覚提示信号波形の種類は、１つであってもよく、１つより多くてもよい。触覚提示信号波形の種類が１つしか存在しない場合、触覚提示信号波形を選択する処理は必要ない。触覚提示信号波形の種類が１つより多い場合は、触覚形成条件変換回路１２０からの入力を基に触覚提示信号波形の種類が選択される。
【０１０６】
次に、触覚提示信号印加期間Ｐ５において、触覚提示制御回路１１４は、上記触覚提示信号波形での触覚提示信号を発生する。また、スイッチ回路１１２の触覚提示信号を入力する領域にある触覚電極１０２に接続しているスイッチ４０は、触覚提示電圧生成回路１１３と接続し、触覚提示信号を入力しない領域にある触覚電極１０２と接続しているスイッチ４０はＧＮＤと接続するか、もしくはそのままスイッチをオンしないで触覚電極１０２をフローティングにする。これにより触覚電極１０２へ信号が印加され、よって触覚が提示される。図３２の例では、触覚電極１０２へ、Ｈレベル（高レベル）およびＬレベル（低レベル）を有する交流信号が印加される。触覚電極１０２は、Ｈレベルの期間において、正極の高電圧、典型的にはプラス数十ボルトで充電され、０レベルの期間において放電され、Ｌレベルにおいて負極の高電圧、典型的にはマイナス数十ボルトで充電される。パルス信号の発生周期および発生期間は、触覚形成条件変換回路１２０からの入力に基づき、適宜設定され得る。
【０１０７】
上記触覚提示信号印加期間Ｐ５の後、処理はタッチ検出期間Ｐ１へ戻る。それによって、上述した動作が繰り返される。これにより、触覚提示タッチパネル４００は、触覚提示つまみ３の位置検出と、触覚提示つまみ３の位置と表示画面に応じた触覚提示とを行うことができる。
【０１０８】
図３３は、タッチ検出期間Ｐ１（図３２参照）における触覚提示タッチパネル４００中での静電容量の形成を示す模式図である。タッチ検出期間Ｐ１において、指示体２と検出電極２０３との間で静電容量ＣＮＤが形成される。この期間において、すべての触覚電極１０２の電位がフローティング状態とされる。これにより、触覚電極１０２がシールドとして機能してしまうことが避けられる。よってタッチ検出の感度を高めることができる。
【０１０９】
図３４は、触覚提示信号印加期間Ｐ５（図３２参照）における触覚提示タッチディスプレイ１中での静電容量の形成を示す模式図である。触覚提示信号印加期間Ｐ５において、タッチパネル２００の励起電極２０２および検出電極２０３の電位がフローティング状態とされてよい。これにより、励起電極２０２および検出電極２０３による容量形成が静電容量ＣＮＥへ及ぼす影響を抑えることができる。代わりに、タッチパネル２００の励起電極２０２および検出電極２０３の電位が実質的に定電位とされてもよく、例えば、励起電極２０２および検出電極２０３がグラウンド電位へ低インピーダンスで接続されていてもよい。これにより、励起電極２０２および検出電極２０３が、触覚電極１０２と表示パネル３００との間のシールドとして機能し得る。よって、触覚電極１０２に印加される高電圧信号に起因して表示パネル３００においてノイズが発生することが抑制される。よって、ノイズに起因しての表示不良を防止することができる。また逆に、表示パネル３００に起因して触覚電極１０２にノイズが発生することが抑制される。触覚電極に触覚提示信号が印加されると、導電性弾性部６は、触覚電極１０２との間に静電容量を形成し、導電性弾性部６の誘電体層１０６と接する面に触覚電極１０２の電圧と逆の電位の電荷が蓄積し、導電性弾性部６と誘電体層１０６との間に静電気力が生じる。その結果、導電性弾性部６と誘電体層１０６との間の摩擦力が変化し、この摩擦力の変化により触覚提示つまみ３を回転したときにつまみのトルクが変化し、触覚提示つまみ３を回転したときの操作感として感じる。
【０１１０】
なお、フローティング状態が用いられる場合、励起電極２０２および検出電極２０３の両方がフローティング状態とされてもよく、あるいは一方がフローティング状態とされてもよい。また、定電位が用いられる場合、励起電極２０２および検出電極２０３の両方が定電位とされてもよく、あるいは一方が定電位とされてもよい。励起電極２０２および検出電極２０３の一方がフローティング状態とされ、他方が定電位とされてもよい。励起電極２０２および検出電極２０３の各々と触覚電極１０２との距離が異なる場合、励起電極２０２および検出電極２０３のうち触覚電極１０２により近い方がフローティング状態とされ、かつ、より遠い方が定電位とされてもよい。
【０１１１】
なお、図２８に示された例では、タッチ検出回路２１０から電圧供給回路１１０へタッチ座標データが送られるが、変形例として、電荷検出回路２１２から電圧供給回路１１０へ電荷検出結果の情報が送られてもよい。この場合、触覚提示制御回路１１４が、電荷検出結果の情報を用いてタッチの有無の判定およびタッチ座標の算出を行う。
【０１１２】
操作中または操作ごとに触覚提示パネル１００上に触覚提示つまみ３を置く位置を変更する場合は、底面部１５を触覚提示パネル１００上に面で密着して固定してもよい。また、操作中または操作ごとに触覚提示パネル１００上に触覚提示つまみ３を置く位置を変更しない場合（触覚提示つまみ３の位置を固定して使用する場合）は、底面部１５を触覚提示パネル１００上に接着部１７で接着して固定してもよい。
【０１１３】
＜導電性弾性部への電荷蓄積の抑制＞
図３５は、信号電圧印加時に導電性弾性部６に蓄積した電荷が指示体２を介して接地されたときの電荷の移動を模式的に示すイメージ図である。導電性弾性部６は、絶縁性の樹脂に導電性のカーボンブラックや金属粒子を混ぜたものであるため、比較的抵抗が高く、電荷が蓄積しやすい。導電性弾性部６に電荷が蓄積すると、信号電圧によって触覚電極１０２との間の静電気力が変化しなくなり、触覚強度が低下してしまう。導電性弾性部６と回転部４の表面を電気的に接続すると、指示体２が回転部４に接した際に指示体２を介して接地接続されることにより、導電性弾性部６に蓄積した電荷が解放され、電荷の蓄積を抑制することができる。
【０１１４】
導電性弾性部６の抵抗が高い場合は、導電性弾性部６内を電荷が移動し難く、上記のような指示体２を介した電荷の解放だけでは十分に電荷を解放できない。その場合は、信号電圧を印加する際に２つ以上に分割した導電性弾性部６の少なくとも１つが、触覚電極１０２と静電容量を形成し、少なくとも１つが接地接続された電荷排出部１１５（後述の図３６参照）と接続された触覚電極１０２と誘電体層１０６を介して接続するように触覚電極１０２を駆動することで、電荷の蓄積を防止する。電荷排出部１１５に接続する触覚電極１０２は、固定する必要はなく、同一の触覚電極１０２において信号電圧の印加と電荷排出部１１５への接続とを切り替えて駆動してもよく、信号電圧を印加する触覚電極１０２と電荷排出部１１５に接続する触覚電極１０２とが交互になるようにしてもよい。ただし、電荷排出部１１５に接続した触覚電極１０２には静電気力が生じない。従って、触覚の低下を防止するために、信号電圧が印加された触覚電極１０２の数は、電荷排出部１１５に接続された触覚電極１０２の数よりも多くしたり、電荷排出部１１５に接続する時間を信号電圧を印加する時間よりも短くしたりすることによって、触覚電極１０２との間に静電気力を生成する導電性弾性部６の実効的な面積が、電荷排出部１１５と容量を形成する導電性弾性部６の実効的な面積よりも大きくなるようにするとよい。
【０１１５】
図３６は、２つ以上に分割した導電性弾性部６の少なくとも１つが、触覚電極１０２と静電容量を形成し、少なくとも１つが接地接続された触覚電極１０２と誘電体層１０６を介して接続するように触覚電極１０２を駆動する場合の構成を示すブロック図である。判定期間Ｐ４（図３２参照）において、触覚提示制御回路１１４は、タッチ座標データから触覚提示つまみ３が置かれた位置を判定し、触覚提示するエリアを決定し、そのエリアを２つ以上に分割し、触覚提示信号を入力する領域とＧＮＤに接続する領域を決定する。なお、図３６においては、図２８と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【０１１６】
触覚提示制御回路１１４は、表示画面と触覚提示つまみ３の座標に対応する触覚提示信号波形を触覚形成条件変換回路１２０からの入力を基に選択する。この「触覚提示信号波形」は、電圧信号Ｖａおよび電圧信号Ｖｂの各々の波形を定義するものである。なお電圧信号Ｖａと電圧信号Ｖｂとの間での波形の相違は、典型的には、周波数の相違である。触覚提示信号波形は、触覚提示制御回路１１４の内部または外部において設定されている。触覚提示信号波形の種類は、１つであってもよく、１つより多くてもよい。触覚提示信号波形の種類が１つしか存在しない場合、触覚提示信号波形を選択する処理は必要ない。触覚提示信号波形の種類が１つより多い場合は、触覚形成条件変換回路１２０からの入力を基に触覚提示信号波形の種類が選択される。
【０１１７】
次に、触覚提示信号印加期間Ｐ５（図３２参照）において、触覚提示制御回路１１４は、上記触覚提示信号波形での触覚提示信号を発生する。また、スイッチ回路１１２の触覚提示信号を入力する領域にある触覚電極１０２に接続しているスイッチ４０は、触覚提示電圧生成回路１１３と接続し、ＧＮＤと接続する領域にある触覚電極１０２と接続しているスイッチ４０は、ＧＮＤと接続する。触覚提示信号を入力しない領域にある触覚電極１０２と接続しているスイッチ４０は、ＧＮＤと接続するか、またはスイッチ４０をオンしないで触覚電極１０２をフローティングのままにする。これにより触覚電極１０２へ信号が印加され、よって触覚が提示される。図２４の例では、触覚電極１０２へ、Ｈレベル（高レベル）およびＬレベル（低レベル）を有する交流信号が印加される。触覚電極１０２は、Ｈレベルの期間において、正極の高電圧、典型的にはプラス数十ボルト、で充電され、０レベルの期間において放電され、Ｌレベルにおいて負極の高電圧、典型的にはマイナス数十ボルトで充電される。パルス信号の発生周期および発生期間は、触覚形成条件変換回路１２０からの入力に基づき、適宜設定され得る。
【０１１８】
上記触覚提示信号印加期間Ｐ５の後、処理はタッチ検出期間Ｐ１へ戻る。それによって、上述した動作が繰り返される。これにより、触覚提示タッチパネル４００は、触覚提示つまみ３の位置検出と、触覚提示つまみ３の位置と表示画面に応じた触覚提示とを行うことができる。
【０１１９】
なお、本実施の形態１では、電荷排出部１１５として、ＧＮＤ端子を用いて説明しているが、導電性弾性部６に蓄積された電荷を排出することができれば、その他の構成でも構わない。例えば、導電性弾性部６に蓄積される電荷の導電性に応じて、ＧＮＤ端子ではなく、効率的に電荷が排出される正電圧や負電圧を印加してもよい。
【０１２０】
上記触覚提示信号印加期間Ｐ５の信号波形および信号電圧が印加される時間、周期を変化させて触覚提示つまみ３の位置を誘導したり固定したりすることで、任意の位置でのつまみ操作を可能にし、触覚提示つまみ３のみによるタッチパネル操作を提供することができる。その具体的な例については後述する。
【０１２１】
＜触覚提示スクリーンの電極構造とタッチスクリーンの電極構造との相違＞
触覚電極１０２の好適な条件として、第１に、指示体２が触覚電極１０２に誘電体層１０６以外の部材を介することなく接することができる構成が望まれる。よって、誘電体層１０６に被覆された触覚電極１０２は、触覚提示タッチパネル４００の最表面に配置されることが好ましい。
【０１２２】
第２に、指示体２と触覚電極１０２との間の距離が近いほど、大きな触覚を発生することができる。この観点から、誘電体層１０６の厚さは小さいことが好ましく、また誘電体層１０６の誘電率は大きいことが好ましい。
【０１２３】
第３に、触覚の生成時には静電容量ＣＮＥ（図３４参照）を大きくするために触覚電極１０２が密に存在することが望まれる一方、タッチ位置の検出時（図３２参照）には、静電容量ＣＮＤの形成を阻害しないよう、触覚電極１０２間の静電容量ＣＥ、すなわち電極間容量は小さいことが好ましい。
【０１２４】
触覚提示タッチパネル４００のサイズが触覚提示つまみ３よりも大きく、触覚提示つまみ３を置かないエリアを触覚提示しないタッチパネルとして使用する場合、触覚提示つまみ３に指示体２が接触していないときは、触覚提示タッチパネル４００の全面を触覚提示つまみ３に指示体２が接触していないときの動作タイミング（図２９参照）を繰り返す。触覚提示をしないタッチパネルとして使用するエリアでタッチ検出した際は、タッチ位置を算出して出力する。触覚提示つまみ３に指示体２が接触したときは、触覚提示つまみ３を置いていないエリアのタッチ検出を休止して、触覚提示つまみ３を置いているエリアのみ前述のような触覚提示つまみ３に指示体２が接触しているとき（図３１参照）の動作タイミングで動作する。
【０１２５】
触覚提示つまみ３を置いていないエリアを触覚提示するタッチパネルとして使用する場合、触覚提示つまみ３に指示体２が接触していないときは、触覚提示タッチパネル４００の全面を触覚提示つまみ３に指示体２が接触していないときの動作タイミング（図２９参照）を繰り返す。触覚提示をするタッチパネルとして使用するエリアにタッチ検出した際は、前述のような触覚提示つまみ３に指示体２が接触しているとき（図３１参照）の動作タイミングで動作する。触覚提示つまみ３に指示体２が接触したときは、触覚提示つまみ３を置いていないエリアのタッチ検出を休止して、触覚提示つまみ３を置いているエリアのみ前述のような触覚提示つまみ３に指示体２が接触しているとき（図３１参照）の動作タイミングで動作する。
【０１２６】
励起電極２０２および検出電極２０３の好適な条件として、第１に、タッチ位置検出の感度およびリニアリティを確保するには、タッチ位置を正確に識別することができるマトリクス構造が必要である。第２に、指示体２と検出電極２０３とが触覚提示スクリーン１５０を介して形成した静電容量ＣＮＤによってタッチ位置を検知するため、横方向に電界が広がるように励起電極２０２と検出電極２０３との間に所定の距離（数百μｍ以上数ｍｍ以下）を設ける必要がある。
【０１２７】
上記のように、触覚電極１０２の好適な条件と、励起電極２０２および検出電極２０３の好適な条件とでは相違がある。両条件を最適化するためには、それらに対して同様の構造を適用することは望ましくない。
【０１２８】
＜引き出し配線層の詳細＞
触覚提示スクリーン１５０の引き出し配線層１０５（図１５）は、具体的には、引き出し配線層Ｌｄ（１）〜Ｌｄ（ｊ）および引き出し配線層Ｌｕ（１）〜Ｌｕ（ｊ）を有している。番号１からｊまでのいずれかの整数をｋとして、引き出し配線層Ｌｄ（ｋ）およびＬｕ（ｋ）の各々は、ｋ番目の触覚電極１０２に接続されている。引き出し配線層Ｌｄ（ｋ）およびＬｕ（ｋ）のそれぞれは、一の触覚電極１０２の延在方向における一方端および他方端に接続されている。
【０１２９】
触覚提示スクリーン１５０に設けられた触覚電極１０２の各々の配線抵抗は、タッチスクリーン２５０によるタッチ検出を阻害しないようにする観点では、高抵抗である方が望ましく、例えば１０４Ω以上にするのが望ましい。このように配線抵抗が高い場合、配線層内での電圧信号の伝播遅延が生じやすくなる。上述したように触覚電極１０２の一方端および他方端の各々に引き出し配線層１０５が接続されることによって、伝播遅延を抑えることができる。
【０１３０】
引き出し配線層Ｌｄ（１）〜Ｌｄ（ｊ）は、触覚提示可能エリアの外側に配置されており、触覚提示パネル端子部１０７の配列の中央に近いものから順に、対応する電極へ触覚提示パネル端子部１０７からほぼ最短距離が得られるように延びている。触覚提示パネル端子部１０７は、透明絶縁基板１０１の長辺に沿って、長辺の中央近傍に配置されている。引き出し配線層Ｌｄ（１）〜Ｌｄ（ｊ）は、相互の絶縁を確保しつつ、なるべく密に配置されている。引き出し配線層Ｌｕ（１）〜Ｌｕ（ｊ）は、引き出し配線層Ｌｄ（１）〜Ｌｄ（ｊ）によって占められた領域の外側において、同様に配置されている。このような配置とすることによって、透明絶縁基板１０１のうち触覚提示可能エリアの外側の部分の面積を抑えることができる。
【０１３１】
引き出し配線層１０５、具体的には引き出し配線層Ｌｄ（１）〜Ｌｄ（ｊ）および引き出し配線層Ｌｕ（１）〜Ｌｕ（ｊ）は、金属単層膜、または金属単層と非金属単層との積層膜のいずれかから構成されていることが好ましい。積層膜が下層とそれを覆う上層とを有する場合、上層は下層の保護層としての機能を有し得る。例えば、保護層としての上層が、触覚提示スクリーン１５０の製造に用いられるエッチング工程において、下層をエッチャントから保護してもよい。あるいは、上層が、触覚提示スクリーン１５０の製造時または使用時において、下層の腐食を防止するキャップ層として機能してもよい。下層の材料を、上層の材料よりも透明絶縁基板１０１との密着性に優れた材料とすれば、引き出し配線層１０５の剥離の発生を抑制することができる。
【０１３２】
＜操作面の領域分割＞
図３７は、触覚提示パネル１００の操作面を複数の領域に分割して分割領域ごとに制御対象と提示する触覚を異なったものとするディスプレイＤＰにおける領域分割の一例を示す図である。図３７に示す例では、ディスプレイＤＰの操作面が４行２列に８分割され、分割領域Ｒ１〜Ｒ８となっている。
【０１３３】
各領域は、平面視で触覚提示つまみ３（図示せず）よりも大きく、分割領域内に触覚提示つまみ３を載置することでその分割領域に割り当てられている制御対象を選択し、触覚提示つまみ３を置いた分割領域内で触覚提示つまみ３を回転させるなどの操作をすることで、その分割領域に割り当てられた制御対象を制御することが可能である。なお、各分割領域には、制御対象が画像表示されており、使用者は当該画像表示に基づいて制御対象を選択し、触覚提示つまみ３を載置する。
【０１３４】
図３８は、触覚提示つまみ３を１つの分割領域Ｒｘ内に載置した場合の触覚提示つまみ３の裏面の構成との位置関係を示す図である。図３８に示すように、触覚提示つまみ３の裏面の導電性弾性部６と接触する領域ＰＶは、電圧信号により摩擦力が変化する領域であり、リング状の領域となっている。また、触覚提示つまみ３の接着部１７と接触する領域ＰＦは、強い静電気力を生成して固定部５を吸着するか、磁力により固定部５を吸着し固定する領域となっている。
【０１３５】
分割領域内に固定された触覚提示つまみ３は、分割領域ごとに異なる触覚が操作に応じて提示されることで、使用者にどの領域を選択してどのような操作しているか、および操作量などの情報を提供することができる。
【０１３６】
触覚提示パネル１００と触覚提示つまみ３との間の摩擦力の強さ、摩擦力を与える周期、摩擦力を与える時間を変えることで、振動感、乗り越え感、クリック感などの使用者に提示する触覚を変化させることができる。
【０１３７】
例えば、分割領域Ｒ１〜Ｒ４と分割領域Ｒ５〜Ｒ８では、異なる周期で摩擦力を生成し、その摩擦力の強さがＲ１＞Ｒ２＞Ｒ３＞Ｒ４、Ｒ５＞Ｒ６＞Ｒ７＞Ｒ８となるように設定し、分割領域Ｒ１およびＲ５が最も強く、分割領域Ｒ４およびＲ８が最も弱くなるように設定することで、使用者はどの分割領域を操作しているかを知覚できる。提示する触覚は摩擦力に限らず、制御対象に応じて特定の触覚を割り当ててもよい。
【０１３８】
図３９は、分割された操作面に表示される制御対象を階層構造とする場合の画面と操作の関係を示す図である。図３９においては、操作面には第１の画面ＳＣ１、第２の画面ＳＣ２および第３の画面ＳＣ３が表示されるものとし、第１の画面ＳＣ１は、操作１、操作２、操作３および操作４が選択可能な画面である。ここで、第１の画面ＳＣ１から操作２を選択すると、下の階層の第２の画面ＳＣ２に表示が切り替わる。
【０１３９】
第２の画面ＳＣ２は、操作２の制御対象をさらに詳細に分類した操作２−１、操作２−２、操作２−３、操作２−４および操作２−５が選択可能な画面である。
【０１４０】
ここで、第２の画面ＳＣ２から操作２−３を選択すると、さらに下の階層の第３の画面ＳＣ３に表示が切り替わる。第３の画面ＳＣ３は、操作２−３の制御対象をさらに詳細に分類した操作２−３−ａ、操作２−３−ｂおよび操作２−３−ｃが選択可能な画面である。
【０１４１】
また、第１〜第３の画面ＳＣ１〜ＳＣ３には、それぞれ１階層上の画面に戻る操作をする領域を含み、第１〜第３の画面ＳＣ１〜ＳＣ３を任意に表示させることができる。なお、本実施の形態では、操作が３階層に分かれた例を示したが、階層数は限定されず、各操作内容に応じた表示領域数とすればよい。
【０１４２】
以下、図４０〜図４２を用いて操作が３階層に分かれている場合の各階層の画面の一例について説明する。図４０〜図４２は自動車のコンソールのセンターディスプレイの例であり、図４０〜図４２には、それぞれ第１〜第３の画面ＳＣ１〜ＳＣ３を示している。
【０１４３】
図４０に示されるように、第１の画面ＳＣ１には、ナビゲーション（ＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮ）の操作領域ＯＲ１、音声ボリューム（ＶＯＬＵＭＥ）の操作領域ＯＲ２、エアコン（ＡＩＲ ＣＯＮＤＩＴＩＯＮＥＲ）の操作領域ＯＲ３および音楽（ＭＵＳＩＣ）の操作領域ＯＲ４が表示されている。
【０１４４】
ここで、エアコンの操作領域ＯＲ３を選択すると、図４１に示されるように第２の画面ＳＣ２が表示される。第２の画面ＳＣ２には、風量（ＡＩＲ ＦＬＯＷ）の操作領域ＯＲ３１、循環モード（ＩＮＮＥＲ ＬＯＯＰ）の操作領域ＯＲ３２および温度設定（ＨＯＴ／ＣＯＯＬ）の操作領域ＯＲ３３が表示されている。また、上の階層の画面である第１の画面ＳＣ１に戻る操作領域ＲＴも表示されている。
【０１４５】
ここで、温度設定の操作領域ＯＲ３３を選択すると、図４２に示されるように第３の画面ＳＣ３が表示される。第３の画面ＳＣ３には、温度を表示する操作領域０Ｒ３３１および温度を設定するＯＲ領域ＯＲ３３２が表示されている。また、上の階層の画面である第２の画面ＳＣ２に戻る操作領域ＲＴも表示されている。
【０１４６】
操作領域の決定は、触覚提示つまみ３を操作面側に押し込むことにより、表示パネル３００の下に配置された感圧センサ２１６（図１参照）が押圧力を検出し、所定の押圧力以上になると決定操作として受け付ける。これにより、触角提示つまみ３を押下する操作と回転する操作を組み合わせた操作が可能となる。
【０１４７】
他に、触覚提示つまみ３を素早くわずかに回転させる操作、または触覚提示つまみ３を操作面上で上下左右にわずかに移動させる操作を決定操作として受け付けるようにしてもよい。
【０１４８】
次に、温度を設定する操作領域ＯＲ３３２上に触覚提示つまみ３を置いて設定する温度の値が表示されるまで回転操作をする。このとき、上述した通り、触覚提示つまみ３と操作面との間の摩擦力を変化させる制御を行うことにより、使用者に触覚提示つまみ３を回転したときの操作感を与える。時計周りに回転すると、温度表示は上昇し、反時計周りに回転すると温度表示は下降する。設定したい温度数値を表示した後、触覚提示つまみ３を上からディスプレイ上に押し込むと表示パネル３００の下に配置された感圧センサ２１６（図１参照）が押圧力を検出し、表示した温度に設定されて温度設定操作が完了する。その後、自動的に最上位の第１の画面ＳＣ１まで戻るか、手動で上の階層の画面に戻る操作領域ＲＴを選択して上の階層の画面に戻ってもよい。
【０１４９】
他に、例えば、音楽再生の操作の場合であれば、図４０でＯＲ４の領域内に触覚提示つまみ３を移動して触覚提示つまみ３を上からディスプレイ上に押し込むと表示パネル３００の下に配置された感圧センサ２１６（図１参照）が押圧力を検出し、音楽再生の操作が決定される。その後、次の操作画面に移動して『選曲』、『再生モード選択』などの操作が領域分割されて表示される。『再生モード選択』の上に触覚提示つまみ３を移動させて上からディスプレイ上に押し込むと、『登録順に１回再生』、『繰り返し再生』、『ランダム再生』などが領域分割されて表示され、上記と同様に触覚提示つまみ３で選択操作をする。
【０１５０】
操作面の分割数は、各分割領域が触覚提示つまみ３を包含できる大きさであれば幾つであってもよい。分割領域の配置は、左右対称または点対称に限らず、分割領域の形状も正方形に限らず、多角形、円形または半円形、扇形、楕円形などの自由な形状に設定できる。
【０１５１】
例えば、表示する制御対象に応じて、操作頻度の高い制御対象を使用者が操作しやすい位置に配置にしたり、他の分割領域よりも大きくするなど、人間工学的に効率がよく、誤操作を誘引し難い配置をすることも可能である。
【０１５２】
＜効果＞
以上説明した実施の形態１によれば、使用者が触覚提示タッチパネル４００上の任意の位置に設置して操作できる触覚提示つまみ３を使って、つまみのスライド、回転、押圧操作のみによるタッチパネル操作により指によるタッチ操作と同様に任意の制御対象を選択して操作することが可能となる。また、制御対象または操作量に応じて触覚を変えることで、使用者の触覚による直感的な操作が可能であり、かつ、使い勝手のいいダイヤルつまみの操作感を与えることが可能となる効果が得られる。また、幾つもの階層に分かれた多様な操作を、触覚提示つまみ３だけで行うことが可能となり、操作スイッチを一元化できる。これにより、操作系の単純化、操作スイッチを配置する領域の低減、空間的デザイン性、快適性に優れたユーザーインターフェースを実現する効果が得られる。
【０１５３】
＜実施の形態２＞
＜触覚提示つまみの操作領域を提示＞
以下、図４３〜図５４を用いて実施の形態２について説明する。図４３は、操作面を４行２列に８分割したディスプレイＤＰにおいて触覚提示つまみ３を移動して操作領域を選択する動作を説明する図であり、操作面上の摩擦力の配置を示している。
【０１５４】
図４３に示されるように、分割領域Ｒ１〜Ｒ８のそれぞれにおいて、中央部の摩擦力が小さい領域ＦＲ１（第１の領域）と、その周囲の摩擦力が大きい領域ＦＲ２（第２の領域とが設けられている。領域ＦＲ１は、いずれかの分割領域を操作領域として選択した際に、触覚提示つまみ３を配置する理想的な位置（ホームポジション）であり、摩擦力が小さい状態にする。これにより、触覚提示つまみ３が矢示するように摩擦力が大きい領域ＦＲ２を経て操作領域の中心位置に近づいて摩擦力が小さい領域ＦＲ１に差し掛かると、摩擦力が小さい領域ＦＲ１の方に滑り込みやすくなり、結果的に操作領域の中心位置へと触覚提示つまみ３が誘導される。このため、操作領域を選択するために触覚提示つまみ３を操作面上でスライドさせて移動する際に、摩擦力が大きい状態から摩擦力の小さい状態に変わることとなり、使用者は操作領域内に触覚提示つまみ３が入ったことを認知することができる。
【０１５５】
図４４は、操作面を４行２列に８分割したディスプレイＤＰにおいて触覚提示つまみ３を移動して操作領域を選択する動作を説明する図であり、操作面上の吸着力の配置を示している。図４４に示されるように、分割領域Ｒ１〜Ｒ８のそれぞれにおいて、中央部の吸着力が働いている領域ＭＲ１（第４の領域）と、その周囲の吸着力が働いていない領域ＭＲ２（第３の領域）とが設けられている。領域ＭＲ１は、いずれかの分割領域を操作領域として選択した際に、触覚提示つまみ３を配置する理想的な位置であり、吸着力が働いている状態にする。この吸着力としては磁力を使用することができ、操作領域の中心位置で弱い磁力を発生させる。これにより、触覚提示つまみ３が矢示するように吸着力が働いていない領域ＭＲ２を経て操作領域の中心位置に近づいて吸着力が働いている領域ＭＲ１に差し掛かると、触覚提示つまみ３が引き寄せられ、結果的に操作領域の中心位置へと触覚提示つまみ３が誘導される。このため、操作領域を選択するために触覚提示つまみ３を操作面上でスライドさせて移動する際に、領域ＭＲ１を通過しようとすると、磁力または静電気力による吸着力が働いて、使用者は領域内に触覚提示つまみ３が入ったことを認知することができる。静電気力で吸着固定する場合は、強い静電気力を生成して吸着した後は、吸着している間連続的に電圧信号を印加する必要はなく、電荷の拡散を考慮して吸着力が低下しないように断続的に電圧信号を印加すればよい。
【０１５６】
図４５は、分割領域Ｒ１〜Ｒ８のそれぞれにおいて、中央部で磁力を発生させる構成を示す図である。図４５においては、図４４に示した分割領域Ｒ１〜Ｒ８のそれぞれに対応するように、８個のソレノイドコイルＳＯＣを４行２列のマトリクス状に並べて配置した磁力発生基板５００を示している。
【０１５７】
磁力発生基板５００は、図４６に示すように表示パネル３００の操作面とは反対側に配置される。ソレノイドコイルＳＯＣの配置は、図４４に示したように、操作面の分割領域の配置と一致するようにしてもよく、ソレノイドコイルＳＯＣの個数を、分割領域の数よりも多く配置することで、１つの分割領域に対して複数のソレノイドコイルＳＯＣで磁力を発生させ、分割領域内で磁力が異なる配置にも対応できるようにしてもよい。なお、磁力発生基板５００を用いて磁力を発生させる場合は、図２８および図３６に示した磁力発生回路２５０を用いてソレノイドコイルＳＯＣを制御する。
【０１５８】
磁力発生回路２５０からソレノイドコイルＳＯＣへの電流供給を停止すれば磁力が発生せず、磁力による吸着力を発生させる領域を制御することができる。また、ソレノイドコイルＳＯＣは、磁力の強さおよび発生領域を任意に設定でき、図４４に示されるような吸着力の配置も可能となる。また、ソレノイドコイルＳＯＣによる磁力を発生させない領域では、触覚電極１０２で静電気力を発生させて摩擦力を形成してもよい。
【０１５９】
図４７はソレノイドコイルＳＯＣの構成の一例を示す斜視図である。図４７に示されるようにソレノイドコイルＳＯＣは、導電性材料で構成される複数の導体層ＣＤで階層構造を形成し、各導体層ＣＤには切り欠き部ＮＰを設け、切り欠き部ＮＰを挟むように層間接続部ＣＮを設けることで、渦を巻くような電流経路を形成している。電流の入力および出力は、最上層および最下層の導体層ＣＤに設けた接続部ＣＣに配線（図示せず）を接続して行う。
【０１６０】
図４７に示すＡ−Ａ線での矢示方向断面図を図４８に示す。図４８に示されるように、導体層ＣＤ間には絶縁層ＩＳが設けられており、絶縁層ＩＳを貫通するように導電性材料で構成される層間接続部ＣＮを設けて、上層の導体層ＣＤと下層の導体層ＣＤとを電気的に接続している。なお、図４７では導体層ＣＤの平面視形状を四角形としたが、これ限定されるものではない。
【０１６１】
図４９はソレノイドコイルＳＯＣの構成の他の例を示す斜視図である。図４９に示されるようにソレノイドコイルＳＯＣは、階層構造の中心を高さ方向に貫くように常磁性材料または強磁性材料で構成される磁石ＰＭが配置されている。図４９に示すＢ−Ｂ線での矢示方向断面図を図５０に示す。図５０に示されるように磁石ＰＭは、階層構造の中心の絶縁層ＩＳを高さ方向に貫く貫通孔を設け、当該貫通孔を常磁性材料または強磁性材料で埋め込むことで形成できる。磁石ＰＭを設けることで、より強い磁力を生成することが可能となる。
【０１６２】
以上の説明においては、ソレノイドコイルを用いて磁力を発生させる構成を示したが、磁力の発生はソレノイドコイルに限定されるものではなく、ソレノイド以外のコイルを用いてもよい。例えば、図５１に示されるような平面視形状が四角形の渦巻きコイルＣ１、または図５２に示されるような平面視形状が円形の渦巻きコイルＣ２を用いてもよい。
【０１６３】
また、これらのコイルについてもソレノイドコイルＳＯＣと同様に、磁石を組み合わせてもよい。図５３には、渦巻きコイルＣ１の中央に常磁性材料で構成される磁石ＰＭ１を配置した構成を示す。また、図５４には、渦巻きコイルＣ２の中央に常磁性材料で構成される磁石ＰＭ１を配置した構成を示す。磁石ＰＭ１を設けることで、より強い磁力を生成することが可能となる。
【０１６４】
＜効果＞
以上説明した実施の形態２によれば、使用者が触覚提示タッチパネル４００上の任意の位置に設置して操作できる触覚提示つまみ３を使って、指によるタッチ操作と同様に任意の制御対象を選択して操作することが可能となる。また、任意の操作領域につまみをスライドして移動する際に、静電気力または磁力による吸引力により、操作領域のホームポジションにつまみを誘導することで、操作領域を目視で確認することなく移動できる効果が得られる。また、使用者が触覚提示タッチパネル４００上の任意の位置に設置してスライド操作で操作位置を移動した後、実施の形態１のように、つまみのスライド、回転、押圧操作のみによるタッチパネル操作により指によるタッチ操作と同様に任意の制御対象を選択して操作することが可能となる。また、制御対象または操作量に応じて触覚を変えることで、使用者の触覚による直感的な操作が可能で、かつ、使い勝手のいいダイヤルつまみの操作感を与えることが可能となる効果が得られる。また、幾つもの階層に分かれた多様な操作を、触覚提示つまみ３だけで行うことが可能となり、操作スイッチを一元化できる。これにより、操作系の単純化、操作スイッチを配置する領域の低減、空間的デザイン性、快適性に優れたユーザーインターフェースを実現する効果が得られる。
【０１６５】
＜実施の形態３＞
＜領域境界での触覚提示つまみの誘導＞
以下、図５５〜図６３を用いて実施の形態３について説明する。図５５〜図５７は、操作面を４行２列に８分割したディスプレイＤＰにおいて分割領域の領域境界での摩擦力を小さくすることで触覚提示つまみ３を誘導する構成を説明する図であり、操作面上の摩擦力の配置を示している。
【０１６６】
触覚提示つまみ３をスライドさせて操作面上を移動する場合、触覚提示つまみ３が移動し始めたことをタッチパネル２００のタッチ検出回路２１０（図２８参照）が検出すると、移動方向予測回路２３０（図２８参照）が触覚提示つまみ３の位置変化から触覚提示つまみ３の移動する方向を予測する。例えば触覚提示つまみ３が、現在位置から角度を変えた場合、図２６を用いて説明したように、位置検出部７によって回転量（回転角）を検出し、また、並進動作（スライド）である場合は並進移動量（移動距離）を検出することで、触覚提示つまみ３の移動する方向を予測し、移動しない方向に触覚提示つまみ３が行かないようにする、または、触覚提示つまみ３が移動する直前の操作者の操作と予測した触覚提示つまみ３の移動する方向と異なる場合や所定の分割領域に誘導したい場合は、触覚提示つまみ３が移動して欲しくない方向に行かないようにすることも可能である。
【０１６７】
図５５に示されるように、移動方向予測回路２３０において、触覚提示つまみ３の移動が分割領域の領域境界上の移動であると予測した場合、触覚提示つまみ３の移動を妨げないように、例えば図４３に示したように分割領域の領域境界に設けられていた摩擦力が大きい領域ＦＲ２（第５の領域）を縮小し、ディスプレイＤＰの端縁部の近傍だけに摩擦力が大きい領域ＦＲ２を設け、矢印で示す触覚提示つまみ３の移動方向にある分割領域の領域境界上には摩擦力が小さい領域ＦＲ２を設ける。各分割領域の摩擦力は、実施の形態１と同様にすることもできる。
【０１６８】
そして、図５６に示されるように、触覚提示つまみ３が通過して選択しないことが確定した分割領域Ｒ４およびＲ８は、領域境界上に摩擦力が大きい領域ＦＲ３を設けて閉じることで、使用者の身体の揺れ等により意図せず触覚提示つまみ３が矢印で示す移動方向と反対の方向に移動することを防止する。触覚提示つまみ３の位置が境界領域ＦＲ３に接する状態で任意の時間維持された場合は、触覚提示つまみ３は、移動方向と判断した方向とは反対方向に進路を変更したとみなし、境界領域ＦＲ３の摩擦力の発生を中止または摩擦力を減少させ、図５５に示すような設定として後方に移動できる状態にする。任意の時間の長さは、例えば車の運転中と停止中で異なる長さに設定してもよい。車体の振動や操作者の身体の揺れにより誤操作をしやすい運転中は任意の時間を長く設定し、運転中よりも誤操作を招きにくい停止中は任意の時間短く設定してもよい。
【０１６９】
また、図５７に示されるように、移動方向予測回路２３０において、触覚提示つまみ３が矢印で示す特定の分割領域Ｒ６へと移動していると予測した場合は、移動先の分割領域以外の分割領域の領域境界は、摩擦力が大きい領域ＦＲ２を設けて、触覚提示つまみ３を摩擦力の大きい領域で包囲することで、触覚提示つまみ３が摩擦力の低い領域に移動することを促し、操作領域を使用者に提示すると共に誤操作を防止する。
【０１７０】
図５８〜図６０は、操作面を４行２列に８分割したディスプレイＤＰにおいて、触覚提示つまみ３の移動方向の摩擦力を小さくすることで触覚提示つまみ３を誘導する構成を説明する図であり、操作面上の摩擦力の配置を示している。
【０１７１】
図５８に示されるように、触覚提示つまみ３が存在する部分は摩擦力が小さい領域ＦＲ１（第６の領域）に設定し、移動方向予測回路２３０において予測した触覚提示つまみ３の移動方向（矢示方向）に対して、移動方向とは逆方向は摩擦力が小さい領域ＦＲ１を狭くし、触覚提示つまみ３が意図せず後方に動くことを抑制する。一方、触覚提示つまみ３の移動方向は摩擦力が小さい領域ＦＲ１を広くし、前方および左右方向に移動しやすいようにする。また、触覚提示つまみ３が移動する直前の操作者の操作と予測した触覚提示つまみ３の移動する方向と異なる場合や所定の分割領域に誘導したい場合は、触覚提示つまみ３が移動して欲しい方向に摩擦力が小さい領域ＦＲ１の領域を広く設け、移動して欲しい方向に触覚提示つまみ３を誘導させることも可能である。
【０１７２】
また、図５９に示されるように、触覚提示つまみ３の移動方向が変わった場合は、移動方向に合わせて、摩擦力が小さい領域ＦＲ１の設定範囲を変える。
【０１７３】
また、図６０に示されるように、移動方向予測回路２３０において、触覚提示つまみ３が矢印で示す特定の分割領域Ｒ６へと移動していると予測した場合は、摩擦力が小さい領域ＦＲ１の設定範囲を縮小し、操作領域の中央に触覚提示つまみ３を誘導する。
【０１７４】
このように、触覚提示つまみ３の移動方向に合わせて、触覚提示つまみ３の可動範囲を制限することで、操作領域を使用者に提示すると共に誤操作を防止する。
【０１７５】
図６１〜図６３は、操作面を４行２列に８分割したディスプレイＤＰにおいて、触覚提示つまみ３の移動方向の摩擦力を小さくすることで触覚提示つまみ３を誘導する構成において、消費電力を低減する構成を説明する図であり、操作面上の摩擦力の配置を示している。
【０１７６】
図６１に示されるように、触覚提示つまみ３が存在する部分は摩擦力が小さい領域ＦＲ１に設定すると共に、摩擦力が小さい領域ＦＲ２は、摩擦力が小さい領域ＦＲ１を囲むように限定的に設ける。これは、図６２および図６３においても同じであり、触覚提示つまみ３の移動方向に合わせて、触覚提示つまみ３の可動範囲を制限することで操作領域を使用者に提示すると共に誤操作を防止し、また摩擦力が大きい領域ＦＲ２を触覚提示つまみ３の可動範囲の周辺のみに設けることで、大きな摩擦力を発生させるための信号電圧を印加する領域を制限し、消費電力を低減することが可能となる。
【０１７７】
＜効果＞
本実施の形態３によれば、使用者が触覚提示タッチパネル４００上の任意の位置に設置して操作できる触覚提示つまみ３を使って、指によるタッチ操作と同様に任意の制御対象を選択して操作することが可能となる。また、任意の操作領域につまみをスライドして移動する際に、摩擦力により触覚提示つまみ３の可動範囲を制限することで、触覚提示つまみ３が意図しない方向に移動することを抑制し、操作領域のホームポジションに触覚提示つまみ３を誘導することで、操作領域を目視で確認することなく移動できる効果が得られる。また、使用者が触覚提示タッチパネル４００上の任意の位置に設置してスライド操作で操作位置を移動した後、実施の形態１のように、つまみのスライド、回転、押圧操作のみによるタッチパネル操作により指によるタッチ操作と同様に任意の制御対象を選択して操作することが可能となる。また、制御対象または操作量に応じて触覚を変えることで、使用者の触覚による直感的な操作が可能で、使い勝手のいいダイヤルつまみの操作感を与えることが可能となる効果が得られる。また、幾つもの階層に分かれた多様な操作を、触覚提示つまみ３だけで行うことが可能となり、操作スイッチを一元化できる。これにより、操作系の単純化、操作スイッチを配置する領域の低減、空間的デザイン性、快適性に優れたユーザーインターフェースを実現する効果が得られる。また、本実施の形態３に実施の形態２を組み合わせることも可能である。その場合、使用者の触覚による直感的な操作が可能で、さらに使い勝手のいいダイヤルつまみの操作感を与えることが可能となる効果が得られる。
【０１７８】
＜実施の形態４＞
＜磁力での触覚提示つまみの誘導＞
以下、図６４〜図６６を用いて実施の形態４について説明する。図６４は、操作面を４行２列に８分割したディスプレイＤＰにおいて触覚提示つまみ３を移動して操作領域を選択する動作を説明する図であり、操作面上の磁力の配置を示している。
【０１７９】
図６４に示されるように、分割領域Ｒ１およびＲ５を除く分割領域においては、中央部の磁力が大きい領域ＭＲ１（第２の領域）と、その周囲の磁力が小さい領域ＭＲ２（第１の領域）とが設けられている。なお、分割領域Ｒ１およびＲ５には磁力が小さい領域ＭＲ２のみが設けられている。
【０１８０】
触覚提示つまみ３をスライドさせて操作面上を移動する場合、触覚提示つまみ３が移動し始めたことをタッチパネル２００のタッチ検出回路２１０（図２８参照）が検出すると、移動方向予測回路２３０（図２８参照）が触覚提示つまみ３の位置変化から触覚提示つまみ３の移動する方向を予測する。
【０１８１】
図６４に示されるように、移動方向予測回路２３０において、触覚提示つまみ３の移動が分割領域の領域境界上の移動であると予測した場合、まず、予測経路上にある分割領域Ｒ２〜Ｒ４および分割領域Ｒ６〜Ｒ８において、磁力が大きい領域ＭＲ１を設ける。この磁力が大きい領域ＭＲ１は、触覚提示つまみ３の固定台１３（図２４参照）を磁力で固定する場合よりも広い面積で、固定台１３を磁力で固定する場合よりも弱い磁力となっている。これにより、触覚提示つまみ３が分割領域２〜４および分割領域５〜８の方向に緩やかに誘導される。
【０１８２】
図６５は、移動方向予測回路２３０が触覚提示つまみ３がさらに矢印の方向に移動すると予測した場合に、分割領域Ｒ１およびＲ５においても磁力が大きい領域ＭＲ１を設けた状態を示しており、触覚提示つまみ３が予測される方向に緩やかに誘導される。
【０１８３】
一方、図６６に示されるように、移動方向予測回路２３０において、触覚提示つまみ３が矢印で示す特定の分割領域Ｒ６へと移動していると予測した場合は、進行方向ではない分割領域では磁力が大きい領域ＭＲ１は設けない。
【０１８４】
このように、磁力を使って、操作領域のホームポジションに触覚提示つまみ３を誘導することで、操作領域を目視で確認することなく移動できる効果が得られる。磁力を用いる場合は、引力だけでなく反発力を利用してもよい。その場合は、図５８〜６３のＦＲ２の領域に反発力を生成するようにすればよい。
【０１８５】
＜効果＞
本実施の形態４によれば、使用者が触覚提示タッチパネル４００上の任意の位置に設置して操作できる触覚提示つまみ３を使って、指によるタッチ操作と同様に任意の制御対象を選択して操作することが可能となる。また、任意の操作領域につまみをスライドして移動する際に、磁力により誘導することで、触覚提示つまみ３が意図しない方向に移動することを抑制し、操作領域のホームポジションに触覚提示つまみ３を誘導することで、操作領域を目視で確認することなく移動できる効果が得られる。また、使用者が触覚提示タッチパネル４００上の任意の位置に設置してスライド操作で操作位置を移動した後、実施の形態１のように、つまみのスライド、回転、押圧操作のみによるタッチパネル操作により、指によるタッチ操作と同様に任意の制御対象を選択して操作することが可能となる。また、制御対象または操作量に応じて触覚を変えることで、使用者の触覚による直感的な操作が可能で、使い勝手のいいダイヤルつまみの操作感を与えることが可能となる効果が得られる。また、幾つもの階層に分かれた多様な操作を、触覚提示つまみ３だけで行うことが可能となり、操作スイッチを一元化できる。これにより、操作系の単純化、操作スイッチを配置する領域の低減、空間的デザイン性、快適性に優れたユーザーインターフェースを実現する効果が得られる。また、本実施の形態４に実施の形態２や実施の形態３を組み合わせることも可能である。その場合、使用者の触覚による直感的な操作が可能で、さらに使い勝手のいいダイヤルつまみの操作感を与えることが可能となる効果が得られる。
【０１８６】
＜実施の形態５＞
＜触覚提示つまみの固定＞
以下、図６７〜図６９を用いて実施の形態５について説明する。図６７は、操作面を４行２列に８分割したディスプレイＤＰにおいて、操作領域内のホームポジションで触覚提示つまみ３を操作する際に、使用者の身体の振動等により触覚提示つまみ３の位置がずれることを摩擦力を用いて抑制する構成を示す図であり、操作面上の摩擦力の配置を示している。
【０１８７】
図６７に示されるように、触覚提示つまみ３を分割領域Ｒ７内のホームポジションに載置すると、触覚提示つまみ３の固定台１３（図２４参照）の直下に強い静電気力を生成して吸着し、触覚提示つまみ３の裏面の導電性弾性部６（図２２参照）の直下および触覚提示つまみ３の外周部ＯＰは摩擦力が小さい領域ＦＲ１（第６の領域）に設定する。これ以外の操作領域は摩擦力が大きい領域ＦＲ２（第５の領域）に設定し、触覚提示つまみ３が移動しようとしても摩擦力で制止する。なお、触覚提示つまみ３が載置された分割領域Ｒ７以外の分割領域は摩擦力が小さい領域ＦＲ１に設定される。
【０１８８】
図６８には特定の分割領域Ｒｘにおける摩擦力が大きい領域ＦＲ２の配置を示す。図６８に示されるように、摩擦力が大きい領域ＦＲ２は、触覚提示つまみ３の外周部ＯＰにできるだけ近く、かつ触覚を提示する際に影響を与えない位置に設ける。図６８においては、分割領域Ｒｘの中央部に固定台１３直下の強い静電気力が与えられる領域ＰＦがあり、そこから所定距離離れて摩擦力が小さい領域ＦＲ１が設けられ、触覚提示つまみ３の外周部ＯＰは摩擦力が小さい領域ＦＲ１に設定されている。領域ＰＦは、摩擦力が大きい領域ＦＲ２よりも摩擦力は小さく、摩擦力が小さい領域ＦＲ１よりは摩擦力が大きく設定される。
【０１８９】
図６９は、操作領域内のホームポジションで触覚提示つまみ３を操作する際に、使用者の身体の振動等により触覚提示つまみ３の位置がずれることを摩擦力を用いて防止する構成において、消費電力を低減する構成を説明する図であり、操作面上の摩擦力の配置を示している。
【０１９０】
図６９に示されるように、触覚提示つまみ３の外側では、摩擦力が大きい領域ＦＲ２を触覚提示つまみ３を囲むように限定的に設けることで、大きな摩擦力を発生させるための信号電圧を印加する領域を制限し、消費電力を低減することが可能となる。
【０１９１】
＜効果＞
本実施の形態５によれば、提示つまみ３を操作する際に、使用者の身体の振動等により触覚提示つまみ３の位置がずれることが抑制され、また、提示つまみ３を固定するまでに、触覚提示つまみ３が移動することを抑制できる。また、使用者が触覚提示タッチパネル４００上の任意の位置に設置してスライド操作で操作位置を移動した後、実施の形態１のように、つまみのスライド、回転、押圧操作のみによるタッチパネル操作により指によるタッチ操作と同様に任意の制御対象を選択して操作することが可能となる。また、制御対象または操作量に応じて触覚を変えることで、使用者の触覚による直感的な操作が可能で、かつ、使い勝手のいいダイヤルつまみの操作感を与えることが可能となる効果が得られる。また、幾つもの階層に分かれた多様な操作を、触覚提示つまみ３だけで行うことが可能となり、操作スイッチを一元化できる。これにより、操作系の単純化、操作スイッチを配置する領域の低減、空間的デザイン性、快適性に優れたユーザーインターフェースを実現する効果が得られる。また、本実施の形態５に実施の形態２〜４を組み合わせることも可能である。その場合、使用者の触覚による直感的な操作が可能で、さらに使い勝手のいいダイヤルつまみの操作感を与えることが可能となる効果が得られる。
【０１９２】
＜実施の形態６＞
＜操作範囲外での操作無効と触感提示＞
図７０は、触覚提示タッチディスプレイ１の構成の一例を示す断面図である。図７０に示すように、本実施の形態６では、透明絶縁基板１０１の触覚提示つまみ３と接する面（操作面）とは反対側の面の外周部に、操作面を超音波振動により振動させる超音波素子６０を設置していることを特徴としている。その他の構成は、実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、ここでは説明を省略する。
【０１９３】
触覚提示つまみ３と透明絶縁基板１０１との間の摩擦力は、超音波によって制御してもよい。この場合、超音波の波長域は、触覚提示つまみ３と透明絶縁基板１０１との間に空気層が生じて摩擦力が生じなくなる高周波領域よりも低い周波数である。
【０１９４】
超音波素子６０は、透明絶縁基板１０１の外周部の対称的な位置に設置することが望ましい。超音波素子６０の振動タイミングを制御することで、透明絶縁基板１０１の表面の振動が共振する位置を触覚提示つまみ３の指示位置５０と同じ位置にすることが可能である。
【０１９５】
この場合、超音波素子６０が同期して動作している場合よりも少ない電圧で同等の振幅の振動を生成することが可能であり、触覚提示タッチディスプレイ１の全体的な低消費電力化に寄与することができる。
【０１９６】
なお、本実施の形態６は、実施の形態１〜５に適用することができる。つまり、実施の形態１〜５の静電気力による摩擦力に変えて、本実施の形態６の超音波振動を用いて、摩擦力を制御してもよい。その場合、透明絶縁基板１０１の外周部に配置した複数個の超音波素子６０の振動出力タイミング、周波数、強度を制御し、配置触覚提示つまみ３の位置や移動方向に対して摩擦力を大きくしたい領域に超音波により生成する振動の共振領域が生成するように制御することで、任意の位置に摩擦力を生成する。
【０１９７】
＜効果＞
本実施の形態６によれば、超音波素子６０を用いて透明絶縁基板１０１の表面を振動させることにより、触覚提示つまみ３と透明絶縁基板１０１との間に摩擦力を生成する。従って、海上などの屋外で触覚提示タッチディスプレイ１を使用する場合に、触覚提示つまみ３を用いることが可能である。実施の形態１と同様、使用者が触覚提示タッチパネル４００上の任意の位置に設置してスライド操作で操作位置を移動した後、実施の形態１のように、つまみのスライド、回転、押圧操作のみによるタッチパネル操作により指によるタッチ操作と同様に任意の制御対象を選択して操作することが可能となる。また、制御対象または操作量に応じて触覚を変えることで、使用者の触覚による直感的な操作が可能で、使い勝手のいいダイヤルつまみの操作感を与えることが可能となる効果が得られる。
【０１９８】
なお、本開示は、その開示の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【０１９９】
本開示は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての態様において、例示であって、この開示がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この開示の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【要約】
触覚提示パネルに関し、触覚提示つまみを操作面上に載置し、前記触覚提示つまみを介して使用者に触覚を提示する触覚提示パネルであって、前記操作面を複数の領域に分割して分割領域ごとに制御対象を割り当て、前記分割領域ごとに提示する触覚を設定する制御回路と、前記操作面と前記触覚提示つまみの間の摩擦力を変化させることで前記制御回路によって設定された触覚を前記分割領域ごとに生成する触覚制御回路と、前記触覚提示つまみの前記触覚提示パネル上の位置を検出するタッチ検出回路と、を備え、前記分割領域内に前記触覚提示つまみを載置して前記制御対象を選択する。【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６８】
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【図６９】
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【図７０】
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