JP2010244119A - 入力補助装置、及び入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タッチパネルの構造を変更することなく、また、特殊な入力ペンを使わなくても使用者の手が入力位置の上方に配置されていることを使用者に認識させることができる入力補助装置を提供すること。
【解決手段】本発明の入力補助装置は、入力部に付帯して用いられる入力補助装置であって、入力部の入力面と平行な方向に配列され、入力面と対向する領域に音波を発信する複数の発信素子１ａ（１〜Ｎ）と、発信素子１ａに供給する駆動信号の位相を遅延させる位相遅延部４２と、を備え、複数の発信素子１ａは、入力面の上方位置Ｐ_ｊに集束する球面波Ｗを形成することを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、入力補助装置、及び入力装置に関するものである。

入力動作を実行する際、タッチパネル全体を振動させることによって入力ペンの先端を適切な入力位置まで誘導するタッチパネルが開示されている（特許文献１を参照）。
また、入力ペンの先端にブラシが設けられ、ブラシを振動させることによってペンの先端を適切な入力位置まで誘導するペン入力装置が開示されている（特許文献２を参照）。

特開２００３−５８３２１号公報 特開２００６−２２７７１４号公報

しかしながら、特許文献１のタッチパネルにおいては、タッチパネルを振動させるための特殊な構造を必要とし装置構成が複雑になるという問題があった。また、特許文献２で示されたペン入力装置によって入力操作を実行するためには、適切な位置まで誘導するための特別な機構を備えた入力ペンが必要である。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、タッチパネルの構造を変更することなく、また、特殊な入力ペンを使わなくても使用者の手が入力位置の近傍に配置されていることを使用者に認識させることができる入力補助装置を提供することを目的とする。

本発明の入力補助装置は、入力部に付帯して用いられる入力補助装置であって、前記入力部の入力面と平行な方向に配列され、前記入力面と対向する領域に音波を発信する複数の発信素子と、前記発信素子に供給する駆動信号の位相を遅延させる位相遅延部と、を備え、前記複数の発信素子は、前記入力面の上方位置に集束する球面波を形成することを特徴とする。
この構成によれば、適切な入力位置の近傍に超音波が集束し振幅を増幅させることができるので、入力位置の近傍に配置された入力部材に刺激を与え、入力部材の近傍が入力位置であることを使用者に認識させることができる。例えば、入力位置の上方位置で入力部材が刺激を受けると、入力部材の下方が入力位置であることを認識することができる。
したがって、タッチパネルなどの入力装置の構造を変更することなく、また、特殊な入力ペンを使わなくても入力部材が入力位置の近傍に配置されていることを使用者に認識させ、入力操作が実行可能な入力補助装置を提供することができる。
なお、「入力部材」は、例えば手、ペン、棒などである。

前記複数の発信信号が、個別に遅延時間を変更可能となっていることが好ましい。
この構成によれば、発信素子ごとに超音波の位相を変更することができるので、入力面に設定された任意の入力位置の上方位置で集束する球面波を形成することができる。したがって、入力位置にかかわらず、上方空間に配置された入力部材に刺激を与え、入力位置を使用者に認識させ、入力操作を実行可能な入力補助装置を提供することができる。

前記発信素子が、前記入力面と直交する方向に複数列配置されていることが好ましい。
この構成によれば、列ごとに球面波を形成し、それぞれの球面波を入力位置の上方の異なる高さに集束させることができるので、入力部材を差し出す高さが変わっても、入力部材に確実に刺激を与え、入力部材が入力位置の上方位置に配置されていることを使用者に認識させ、入力操作を実行可能な入力補助装置を提供することができる。
また、目が不自由な人が使用する場合、あるいは、入力部から視線を外して使用しなければならない場合など、入力位置がわからない場合でも、確実に入力部材に刺激を与え、入力位置の近傍に入力部材が配置されていることを使用者に認識させ、入力操作を実行することができる。

本発明の入力装置は、先に記載の入力補助装置と、入力部と、を備えていることを特徴とする。
この構成によれば、入力面の上方位置に集束する球面波が入力部材に刺激を与えることによって、入力部材の下方が入力位置であることを使用者に知らせることができる。したがって、入力装置の構造を変更することなく、また、特殊な入力ペンを使用しなくても入力部材の近傍が入力位置であることを使用者に認識させ、入力操作を実行可能な入力装置を提供することができる。

ＰＤＡの斜視図である。 入力補助装置の斜視図である。 図１のＡ−Ａ’に沿う断面図である。 制御回路の回路ブロックを示す図である。 球面波の集束位置の分布を示す図である。

以下図面を用いて、本発明に係る入力補助装置について説明する。
なお、以下の実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等を異ならせている。

図１は、本発明の入力補助装置１０を備えた電子機器の一例であるＰＤＡ１００を模式的に示す斜視図である。ＰＤＡ１００は、図１に示すように、本体３０、入力部２０、及び入力補助装置１０を有している。
入力部２０はタッチパネル式の入力装置であって、本体３０と一体で構成されている。入力部２０はＰＤＡ１００の表示部としての機能を兼ねており、本体３０から転送された画像情報を入力部２０に表示する。入力部２０は、入力操作を実行する際の入力位置を示す入力ボタン２１を表示し、指Ｆが入力ボタン２１に触れると入力操作が実行される。本実施形態では、入力ボタン２１が、入力部２０の中央部、すなわち入力補助装置１０の正面で対向する位置に表示されている。

入力補助装置１０は、入力部２０の周辺の本体３０上に配置されている。入力補助装置１０は、入力部２０の上方の領域に超音波を発信し、入力ボタン２１の上方位置で集束する球面波を形成する。
使用者の手が入力ボタン２１の上方位置に配置されると、振幅が増幅された球面波から刺激を受けて、使用者は刺激を受けた位置の下方に入力ボタン２１が表示されていることを認識する。
球面波とは、複数の超音波を同位相の位置で結んだ波面を有し、１つの集束位置で集束するものをいう。

次に、入力補助装置１０について詳しく説明する。
図２は、入力補助装置１０の詳細な構成を模式的に示す斜視図である。図３は、図２におけるＡ−Ａ’に沿った断面形状を模式的に示す図である。図４は、制御回路４０の回路ブロック図である。図５は、球面波の集束位置の分布を示す図である。
入力補助装置１０は、図２に示すように、超音波発生ユニット１Ａと制御部４０Ａとを有する。

超音波発生ユニット１Ａは、基板１１と超音波発生部１とを備えている。
超音波発生部１は、図２に示すように、基板１１の表面１１Ａ上に複数の発信素子１ａがマトリクス状に配置された構成となっている。具体的には、入力部２０の入力面に沿って配置されたＮ個の発信素子１ａが、入力面に直角な方向にＭ段分配置された、Ｍ行Ｎ列のマトリクス状である。ここで、行番号は、上端の行を１行目とし、以下下方に向かって増加し下端の行をＭ行目とする。また、列番号は、入力部２０側からみて右端を１列目とし、以下左側に向かって増加し左端の列をＮ列目とする。

発信素子１ａは、入力部２０の入力面に平行な方向に配置された発信素子１ａによって１つのグループを構成し、同一のグループに属する発信素子１ａから発信される超音波によって、入力ボタン２１の上方位置で集束する球面波が形成される。発信素子１ａは、入力面と直交する方向に複数列配置されており、それぞれの列（グループ）ごとに形成された球面波が入力ボタン２１の上方のそれぞれ異なる高さで集束する。

断面視における発信素子１ａは、図３に示すように、振動板２と、下部電極４と、圧電体３と、上部電極５とを備えている。
基板１１は、矩形状の単結晶シリコンで構成されている。基板１１の全面のうち、発信素子１ａ及び受信素子１ｂに対応する部分には開口部１１ａが形成されている。
基板１１の表面１１Ａのほぼ全面に、ＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）で形成された第１酸化膜２ａと、ＺｒＯ_２（ジルコニア）で形成された第２酸化膜２ｂとが積層された積層膜が形成されている。積層膜のうち、開口部１１ａの上方に相当する部分が振動板２として機能する。
第１酸化膜２ａは、単結晶シリコン基板の表面を熱酸化させることによって形成され、膜厚はおよそ３μｍである。第２酸化膜２ｂは、ＣＶＤ法（化学気相成長法）などで形成され、膜厚はおよそ４００ｎｍである。

下部電極４は、振動板２上に形成されている。より詳しくは、下部電極４の膜が第２酸化膜２ｂのほぼ全面に形成され、超音波発生部１を構成するすべての発信素子１ａ及び受信素子１ｂの共通電極となっている。下部電極４は、Ｉｒ（イリジウム）などの導電性金属材料で形成され、膜厚はおよそ２００ｎｍである。

圧電体３は、下部電極４の全面のうち、開口部１１ａの上方にあたる領域にのみ形成されている。圧電体３は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＢａＴｉＯ_３（チタン酸バリウム）などで形成され、膜厚はおよそ１．４μｍである。
上部電極５は、圧電体３上に形成されている。上部電極５は、例えば、Ｉｒ（イリジウム）などの導電性金属材料で形成され、膜厚はおよそ５０ｎｍである。

フレキシブルプリント基板１２は、図２に示すように、超音波発生ユニット１Ａと制御部４０Ａとを接続している。具体的には、超音波発生ユニット１の端子部１１Ｔと、制御部４０Ａの制御基板１３の表面１３ａに形成された端子部１３Ｔとを電気的に接続している。

制御部４０Ａは、図２に示すように、制御基板１３と制御回路４０とを備えている。制御回路４０は、制御基板１３の表面１３ａに実装され、超音波発生部１の制御を行う。 制御回路４０は、図４に示すように、制御演算部４１、及び位相遅延部４２を有する。
制御演算部４１は、入力位置に応じた適切な遅延時間を演算する。制御演算部４１は、本体３０からの入力要求に基づいて位相遅延部４２に電気信号（駆動信号）を出力する。電気信号は、正弦波など振幅が周期的に変化する信号である。

位相遅延部４２は、制御演算部４１から入力された電気信号を遅延させることによって、発信素子１ａに入力される電気信号の位相を変化させる。位相遅延部４２は、図４に示すように、発信素子１ａごとに設けられた複数の遅延回路４２ａで構成されており、発信素子１ａごとに電気信号の位相を異ならせている。

図４では、発信素子１ａと遅延回路４２ａとの接続関係をわかりやすくするために、入力部２０の入力面からｊ（１…，ｊ，…，Ｍ）行目に配置された１行分だけを取り出しているが、実際には超音波発生部１を構成する他の行を含めてすべての発信素子１ａごとに遅延回路４２ａが設けられている。

上述したように、本実施形態では、入力ボタン２１が入力部２０の中央、すなわち入力補助装置１０の正面で対向して表示されている。そのため、入力ボタン２１の上方の球面波Ｗの収束位置Ｐ_ｊとそれぞれの発信素子１ａとの間の距離は、方向の中心軸Ｚに対して対称であり、中心軸Ｚから離れるにつれて集束位置Ｐから遠くなる。
したがって、それぞれの発信素子１ａにおける遅延時間は中心軸Ｚに対して対称に設定される。集束位置Ｐ_ｊで集束する球面波Ｗを形成するために、集束位置Ｐから遠い（中心軸Ｚから離れた）発信素子１ａでは遅延時間が短く設定されており、集束位置Ｐに近い（中心軸Ｚ側の）発信素子１ａでは、遅延時間が長く設定されている。

ここで、図４の発信素子１ａについて、図示で上から１，…，ｉ，…，Ｎの番号を順次付す。１〜Ｎ番目の発信素子１ａと接続されたそれぞれの遅延回路４２ａにおける電気信号の遅延時間をτ_１，…，τ_ｉ，…，τ_Ｎとする。
そして、発信素子１ａのピッチ幅をｄ、所定位置Ｐと超音波発生ユニット１Ａとの距離をＦ_０、超音波の音速をｃとすれば、それぞれの遅延回路４２ａにおける遅延時間τ_ｉは以下の式で規定される。

図４では、入力面からｊ列目のグループに属する発信素子１ａによって集束位置Ｐｊに集束する球面波Ｗを形成する例を示しているが、１〜Ｍ番目のそれぞれの列に属する発信素子１ａは、図５に示すように、それぞれの集束位置Ｐ_１〜Ｐ_Ｍに集束する球面波を形成している。すなわち、入力ボタン２１の上方には、それぞれ異なる高さで集束する球面波が形成されている。

集束位置Ｐ_１〜Ｐ_Ｍでは、同位相の複数の超音波が重なり合って振幅が増幅されており、入力部２０の上方に差し出した使用者の手が、集束位置Ｐ_１〜Ｐ_Ｍのいずれかに達したときに刺激を受ける。そうすると、使用者は現在の手の位置の下方に入力ボタン２１が表示されていることを認識する。そして、刺激を受ける方向をたどって集束位置Ｐ_Ｍの方向（下方）に手を移動させ、指を入力ボタン２１に接触させることによって、入力操作を実行する。

このような構成を備えた入力補助装置１０によれば、以下の効果を得ることができる。
まず、本実施形態においては、発信素子１ａがマトリクス状に配置され、入力面と直交する方向に複数列配置されている。これによれば、それぞれの集束位置（上方位置）Ｐ_１〜Ｐ_Ｍにおいて使用者の手に順次刺激を与えることで使用者の手を集束位置Ｐ_Ｍ側に誘導することができるので、入力部２０に表示された入力ボタン２１を見なくても入力ボタン（入力位置）２１に指を接触させ、入力操作を実行させることができる。
特に、目が不自由な人が使用する場合、あるいは、入力部２０から視線を外して使用しなければならない場合など、入力位置がわからない場合であっても、使用者の指を確実に入力ボタン２１に誘導し、入力操作を実行させることができる。
また、入力部２０に使用者の指を誘導するための特別の構造を設ける必要がなく、また、入力位置を誘導する機構を備えた特殊な入力ペンを使用しなくても、使用者の指を確実に入力ボタン２１まで誘導し、入力操作を実行させることができる。

本実施形態においては、入力部２０の中心の位置に表示された入力ボタン２１の上方に球面波を集束させる例について説明したが、入力ボタン２１は、入力部２０の任意の位置に表示されるようにしてもよい。この場合には、それぞれの発信素子１ａの遅延回路４２ａにおける遅延時間の設定を変更した遅延回路を用意して、入力ボタン２１の上方に集束する球面波が形成されるようにすればよい。

さらに、本実施形態においては、遅延回路４２ａによって位相を異ならせた電気信号を発信素子１ａに入力しているが、制御演算部４１において、それぞれの発信素子１ａ用に位相を異ならせた電気信号を生成し、電気信号を発信素子１ａに直接入力するようにしてもよい。このようにすれば、入力ボタン２１の表示位置が変更されても、発信素子１ａごとの遅延時間（位相）を制御して、入力ボタン２１の上方位置に集束する球面波を確実に形成することができる。

また、超音波発生部１は、発信素子１ａが入力面に平行な方向に１列のみ配列された構成であってもよい。このような構成であっても、手に刺激を与えることによって、手が入力ボタン２１の上方位置に配置されていることを使用者に認識させ、入力操作を実行させることができる。また、この構成によれば、超音波発信部１の構成を簡素化して、入力補助装置を小型化することができる。

なお、本実施形態では、入力部２０の上方に配置された手に刺激を与えて、下方の入力ボタン２１に指を誘導する例について説明したが、壁に掛けられた入力装置に向けて手を誘導することもできる。この場合には、壁面からの距離に応じた異なる位置に球面波の集束位置が分布するので、使用者の手は前方の壁面に向かって誘導される。

なお、本実施形態では、入力ボタン２１の上方に球面波の集束位置を設定し、上方から使用者の手を入力ボタン２１に誘導しているが、それぞれの発信素子１ａにおける遅延時間を変更して、入力ボタン２１の斜め方向から使用者の手を誘導するようにしてもよい。

なお、本実施形態では、発信素子１ａごとに遅延回路４２ａが設けられているが、遅延回路４２ａはマトリクスの列ごとに共通化させてもよい。このような構成であっても、入力位置の近傍で球面波の集束位置を配列させることができるので、使用者の指を確実に入力位置まで誘導して、入力操作を実行することができる。そして、遅延回路４２ａの個数を低減することができるので、位相遅延部４２の回路構成を簡素化し、装置を小型化することができる。

本発明の入力補助装置１０は、タッチパネルなどの入力装置、キーボード、ピアノなどのブラインドタッチの練習用、カーナビゲーションシステムなどに好適に用いることができる。

１…超音波発信部、１Ａ…超音波発信ユニット、１ａ…発信素子、２…振動板、３…圧電体、４…下部電極、５…上部電極、１０…入力補助装置、１１…基部、１２…フレキシブルプリント基板、１３…制御基板、２０…入力部、２１…入力ボタン、４０…制御回路、４０ａ…制御部、４１…制御演算部、４２…位相遅延部、４２ａ…遅延回路、１００…ＰＤＡ

Claims (4)

1. 入力部に付帯して用いられる入力補助装置であって、
   前記入力部の入力面と平行な方向に配列され、前記入力面と対向する領域に音波を発信する複数の発信素子と、前記発信素子に供給する駆動信号の位相を遅延させる位相遅延部と、を備え、
   前記複数の発信素子は、前記入力面の上方位置に集束する球面波を形成することを特徴とする入力補助装置。
2. 前記複数の発信信号が、個別に遅延時間を変更可能となっていることを特徴とする請求項１に記載の入力補助装置。
3. 前記発信素子が、前記入力面と直交する方向に複数列配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の入力補助装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の入力補助装置と、入力部と、を備えていることを特徴とする入力装置。

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