JP2014021597A - 触覚呈示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で、バックラッシュに起因する触感の変化を抑制することを可能とした触覚呈示装置を提供する。
【解決手段】触覚呈示装置１は、正逆回転可能なモータ３と、モータ３の正逆回転運動を往復直線運動に変換するギヤ機構４と、操作者による操作に応じて、ギヤ機構４の往復直線運動による振動が付与されることで触覚を呈示する操作部２と、モータ３の正逆回転制御に優先して、ギヤ機構４の対向ギヤの歯面間に存在するガタの詰めを行うためのガタ詰め制御を行う制御部１０とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、操作者の手指に触覚刺激操作感触を呈示する触覚呈示装置に関する。

従来の触覚呈示装置の一例としては、例えば操作者が操作部を操作する際に、その操作部に振動をフィードバックする触覚呈示装置がある。この種の触覚呈示装置においては、操作部に振動をフィードバックするための歯車列等からなる駆動伝達機構が用いられる。

ところで、相互に噛み合った歯車の歯面間には、隙間や遊びによるバックラッシュが存在する。このバックラッシュの量は、歯車の噛み合い開始位置の違いにより異なるため、駆動伝達機構による操作部の振動の振幅が歯車の噛み合い開始位置毎に異なる。このバックラッシュに起因する振動の振幅の変化は、操作者に対して異なる触感を呈示することとなり、好ましくない。

この駆動伝達機構のバックラッシュを軽減する手段の一例としては、例えば駆動伝達機構の歯車列中の１つの歯車をバックラッシュ軽減機構とした構成が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

この特許文献１に記載された従来のバックラッシュ軽減機構は、複合ギヤと従属ギヤとが同一回転軸上に配置された構成であり、複合ギヤと従属ギヤとのそれぞれを常に歯車列中の歯車に接触した状態に弾力を付与するスプリングが用いられる。

特開２０００−３０３８３号公報

上記特許文献１記載の従来のバックラッシュ軽減機構は、駆動伝達機構の歯車列とは別部品になる。この構成によれば、部品点数が増えることから、組立工数が増大する。それに伴い生産効率の悪化とコスト高を招きやすい。

本発明の目的は、簡単な構造で、バックラッシュに起因する触感の変化を抑制することを可能とした触覚呈示装置を提供することにある。

［１］本発明は、正逆回転可能なモータと、前記モータの正逆回転運動を往復直線運動に変換するギヤ機構と、操作者による操作に応じて、前記ギヤ機構の往復直線運動による振動が付与されることで触覚を呈示する操作部と、前記モータの正逆回転制御に優先して、前記ギヤ機構の対向ギヤの歯面間に存在するガタの詰めを行うためのガタ詰め制御を行う制御部と、を備えたことを特徴とする触覚呈示装置にある。

［２］上記［１］記載の発明にあって、前記ギヤ機構は、前記モータの回転軸に設けたモータ側ギヤと前記モータ側ギヤの回転を伝達する伝達側ギヤとを備えており、前記ガタ詰め制御は、前記伝達側ギヤを回転させない程度のトルクが作用するように前記モータ側ギヤを回転させる制御であることを特徴とする。

［３］上記［１］又は［２］記載の発明にあって、前記ガタ詰め制御は、電源投入時、あるいは触覚呈示後の少なくとも一方で、前記モータの正逆回転制御に優先して実行されることを特徴とする。

［４］上記［１］〜［３］のいずれかに記載の発明にあって、前記操作部の位置を検出する位置検出部を備えており、前記制御部は、前記位置検出部からの位置信号に基づく指示値により、前記モータを制御するように設定されてなることを特徴とする。

本発明によると、部品点数を増やすことなく簡単な構造で、バックラッシュに起因する触感の変化を抑制することが可能となり、振動の変化が一定となる最適な特性を有する触覚呈示装置が得られる。

本発明の代表的な実施の形態に係る触覚呈示装置を説明するための図である。 実施の形態に係る触覚呈示装置に用いられる代表的な駆動伝達系を説明するための図である。 実施の形態に係る触覚呈示装置における電源投入時のモータと駆動伝達系との時間的な位置変化を説明するための図（ａ）〜（ｄ）である。 実施の形態に係る触覚呈示装置における触覚生成の駆動後のモータと駆動伝達系との時間的な他の位置変化を説明するための図（ａ）〜（ｄ）である。 従来の触覚呈示装置におけるモータと駆動伝達系との時間的な位置変化を説明するための図（ａ）〜（ｄ）である。

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。

（触覚呈示装置の全体構成）
図１において、全体を示す符号１は、この実施の形態における典型的な触覚呈示装置の内部構成部品を模式的に示している。この触覚呈示装置１は、特に規定するものではないが、操作部が操作入力を受け付けた際に、操作者の手指に対して振動による触感を呈示するものであり、例えば空調装置、オーディオ装置やナビゲーション装置等の車載機器の作動を制御するための操作信号を出力する車両用のタッチパネル又はタッチパッドに適用される。

図示例における触覚呈示装置１は、例えば車室内の図示しないステアリングホイールやセンターコンソールなどの運転席周辺部に配置されており、同じく図示を省略したディスプレイに配線を介して接続される。この触覚呈示装置１は、操作者の手指でタッチパネル２をタッチ操作すると、例えばタッチパネル２の表面上の位置がタッチパネル２により検出され、この位置に対応した位置検出信号がディスプレイ上の項目ボタンを選択決定する遠隔操作式の入力装置として構成される。

この触覚呈示装置１は、図１及び図２に示すように、正逆回転可能なモータ３と、そのモータ３の回転運動を直線運動に変換する運動変換機構であるラック・ピニオン機構４とを備えている。このラック・ピニオン機構４は、タッチパネル２の下方に突出させた平板状のラック５と、モータ３の出力軸３ａに連結固定された円盤状のピニオン６とにより駆動伝達ギヤ機構を構成しており、操作者の手指に対して垂直な方向の触覚を呈示する機能を有する。このラック５には、ピニオン６の回転を伝達する伝達側ギヤである複数のラック歯５ａ，…，５ａが形成されている。一方のモータ側ギヤであるピニオン６には、ラック歯５ａと噛み合わされる複数のギヤ歯６ａ，…，６ａが形成されている。

この触覚呈示装置１は更に、タッチパネル２が所定の高さとなる位置を検出する位置検出部である磁気式や光学式などの図示しないエンコーダと、モータトルク指示信号及びエンコーダ出力信号に基づきモータ駆動を制御する制御部１０とが設けられる。タッチパネル２は、操作者の手指の接触状態を検出して、その検出信号をタッチ信号として制御部１０に出力する。この制御部１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭやモータ駆動回路などの各種の構成要素からなるマイクロコンピュータからなり、タッチパネル２のタッチ操作により入力されるタッチ信号を受け取り、モータ３に制御信号を送ることで、モータ３の正逆回転を制御する。

タッチパネル２からの操作者の手指による操作を示すタッチ信号に応じて、モータ３に正逆回転を繰り返す制御信号を出力することで、所定の回転角度、及び所定の繰り返し回数をもってモータ３が正逆回転方向に回転駆動される。このモータ３の出力軸３ａの正逆回転力は、ピニオン６に伝達される。このピニオン６の正逆回転力によりラック５が往復直線移動（往復微動）することで、タッチパネル２が振動する。このタッチパネル２の振動により、操作者の手指に対して垂直な方向の触覚情報としてフィードバックが与えられる。

ところで、ラック５のラック歯５ａとピニオン６のギヤ歯６ａとの間には、図２に示すように、噛み合わせの遊びやガタにより隙間（バックラッシュ）Ｇが存在しており、ラック歯５ａとギヤ歯６ａとにより円滑な駆動伝達が行われるようになっている。このバックラッシュＧの量は、ラック歯５ａとギヤ歯６ａとの噛み合い開始位置の変化に応じて異なる。そのため、バックラッシュＧの変化量に応じて、ラック５の往復直線移動による振動の振幅（ラック変位量）が異なる。

ここで、図５（ａ）〜（ｄ）を参照すると、これらの図には、従来の触覚呈示装置におけるモータと駆動伝達系との時間的な変化の様子の一例が示されている。これらの図において、符号０（零）は、ラック５の基準位置（初期位置）を示している。グラフ中の符号１００は、モータ回転角度を距離に換算したモータ回転位置を、符号２００は、ラック変位をそれぞれ表している。

図５（ａ）〜（ｄ）において、時点ｔ_０〜ｔ_１はモータ停止状態にあり、時点ｔ_１においてモータ停止状態からモータ正回転駆動状態に変化され、時点ｔ_２でモータ正回転駆動状態からモータ逆回転駆動状態に変化され、時点ｔ_３でモータ停止状態に戻される際のモータ及びラックの時間変化が代表的な３つ例として挙げられている。

図５において、（ａ）は、モータ正逆回転時のモータトルク指示値を示している。（ｂ）は、ラック歯５ａに対してギヤ歯６ａがモータ回転駆動側に噛み合っていない状態にある開始位置に対応するモータ回転位置及びラック変位の時間変化を、（ｃ）は、ラック歯５ａに対してギヤ歯６ａがモータ回転駆動側及びモータ回転駆動の反対側の２箇所の噛み合わせ部分に噛み合っていない状態にある開始位置に対応するモータ回転位置及びラック変位の時間変化を、（ｄ）は、ラック歯５ａに対してギヤ歯６ａがモータ回転駆動側に噛み合った状態にある開始位置に対応するモータ回転位置及びラック変位の時間変化をそれぞれ示している。

図５（ｄ）に示すモータ回転駆動側に噛み合った開始位置からラック上昇方向へモータ３を正回転駆動させるときは、ガタが詰まった状態にあり、ラック歯５ａとギヤ歯６ａとの間のバックラッシュＧの影響を受けない。モータ３が正回転方向から逆回転方向へ切り替わり、ラック下降方向へ逆回転駆動するときには、ラック歯５ａとギヤ歯６ａとの間のバックラッシュＧの影響により噛み合いの時間的なズレが発生する。

一方、図５（ｂ）及び（ｃ）においては、ラック歯５ａに対してギヤ歯６ａがモータ回転駆動側に噛み合っていない状態にある開始位置からラック上昇方向へモータ３を正回転駆動させると、ガタが詰まっていない状態にあり、ラック歯５ａとギヤ歯６ａとの間のバックラッシュＧの影響により噛み合いの時間的なズレが発生する。モータ３が正回転方向から逆回転方向へ切り替わるときにも、ラック歯５ａとギヤ歯６ａとの間のバックラッシュＧの影響により噛み合いの時間的なズレが発生する。

図５（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）から明らかなように、従来の触覚呈示装置にあっては、バックラッシュＧ相当分のガタにより位置が定まらず、ラック歯５ａとギヤ歯６ａとの噛み合い開始位置の違いにより、モータ３の正逆回転位置とラック５の往復直線移動位置との相対位置関係が変化してしまう。そのため、ラック・ピニオン機構４の往復直線運動によるラック５の振動の振幅Ｗが異なり、操作者の手指に対して振動による触感を同じように呈示する触覚呈示装置が得られない。

従って、触覚呈示する際にラック歯５ａとギヤ歯６ａとの相対的な噛み合い開始位置が変わっても、操作者の手指に対して振動による触感に変化を生じさせないことが肝要である。この実施の形態に係る触覚呈示装置１は、バックラッシュＧに起因する駆動伝達系の変位ズレによる触感の変化を抑制する構成を最も主要な特徴部としている。

（制御部の構成）
図３（ａ）〜（ｄ）を参照すると、これらの図には、図５（ａ）〜（ｄ）に対応して、この実施の形態に係る触覚呈示装置１におけるモータ３とラック５との時間的な位置変化の様子が３つの例として挙げられている。

図３（ａ）〜（ｄ）において、ラック・ピニオン機構４のラック歯５ａとギヤ歯６ａとの対向歯面間に存在するガタ（バックラッシュＧ）の詰めを行うためのガタ詰め制御が、振動による触覚生成（以下、「触覚呈示」ともいう。）を行うためのモータ３の正逆回転制御に優先して実行される。このガタ詰め制御は、ラック歯５ａを回転させない程度のトルクが作用するようにギヤ歯６ａを回転させる制御であり、制御部１０により実行される。

このガタ詰め制御は、電源投入時、あるいは触覚生成後の少なくとも一方で、モータ３の正逆回転制御に優先して実行されることが好適である。ここで、電源投入時とは、電源投入開始直後、及び１回目の触覚呈示の駆動前を意味する。そして、触覚生成後とは、２回目以降の触覚呈示の駆動前を意味する。

（電源投入時のガタ詰め制御）
この制御部１０は、図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、ガタ詰めの実行を開始する時点ｔ_０からガタ詰めの実行を完了する時点ｔ_１の一定の区間内で、ラック歯５ａとギヤ歯６ａとの対向歯面間のガタ詰めを行うための所定のガタ詰めトルク指示値をモータ３に出力する。このモータ３は、時点ｔ_０〜ｔ_１の間、ピニオン６にガタ詰めトルクを伝達する。このガタ詰めトルクは、触覚呈示する際のモータ正逆回転制御トルクよりも小さく設定されており、ラック５を動かせない程度のトルク指示値に設定されている。

この時点ｔ_０〜ｔ_１は、図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、モータ３をガタ量相当分だけ回転駆動させる区間とモータ３の回転駆動を停止させる区間とを含んでおり、制御部１０が、ガタ詰め時にはモータ３を相対的に遅く回転駆動させ、ガタ詰め完了直前にはモータ３の回転駆動を停止させるように制御する。これにより、ガタ詰めが緩やかに行われるようになっている。

このガタ詰めが完了すると、最初の振動による触覚生成の駆動待ち状態となる。制御部１０は、図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、例えば時点ｔ_１においてタッチパネル２のタッチ操作により入力されるタッチ信号を検出したとき、モータ正逆回転制御に切り替えられる。時点ｔ_１〜ｔ_３の一定の区間内でモータ３に制御信号を送ることで、モータ３の正逆回転を制御する。時点ｔ_２〜ｔ_３においてモータ正回転駆動状態からモータ逆回転駆動状態に変化され、時点ｔ_３でモータ３が停止状態に戻される。

（触覚生成の駆動後におけるガタ詰め制御）
このガタ詰め制御は、最初の触覚生成の駆動以降のモータ正逆回転制御に優先して実行されるように構成される。これにより、次回の触覚を生成するための触覚呈示装置１の駆動の際に、モータ出力を本来のモータ出力と同等にすることができる。この一例を図４（ａ）〜（ｄ）に例示している。

この制御部１０は、図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、触覚生成の駆動後の時点ｔ_３においてガタ詰めの実行を開始する。この時点ｔ_３からガタ詰めの実行を完了する時点ｔ_４の一定の区間内で、所定のガタ詰めトルク指示値をモータ３に出力する。このモータ３は、時点ｔ_３〜ｔ_４の間、ピニオン６にガタ詰めトルクを伝達する。このガタ詰めトルクは、電源投入時のガタ詰めの実行と同様に、触覚呈示する際のモータ正逆回転制御トルクよりも小さく設定されており、ラック５を動かせない程度のトルク指示値に設定されている。

このガタ詰めが完了すると、モータ３は、図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、時点ｔ_４以降の区間で触覚呈示装置１の駆動待ち状態となる。制御部１０が、例えば時点ｔ_５においてタッチパネル２のタッチ操作により入力されるタッチ信号を検出すると、時点ｔ_５以降の一定の区間内でモータ３に制御信号を送る。モータ３の正逆回転を制御することで、振動による触覚生成を行う。この触覚生成の駆動後は、同様のガタ詰め実行の動作が繰り返されることとなる。

（モータの停止処理）
この制御部１０は、触覚呈示する際に、タッチパネル２のタッチ面の高さとなる位置を磁気式や光学式などのエンコーダ等の図示しない位置検出部により監視している。この位置検出部が出力する位置検出信号を基準とするタイミングで、モータ３の停止処理が実行される。図示例にあっては、タッチパネル２のタッチ面の高さとなる位置は、ラック５が基準位置（高さが０（零）の位置）に戻ったか否かを位置検出部により監視し、ラック５が基準位置に戻ったならば、制御部１０によりモータ３の停止処理が行われる。

図３（ａ）〜（ｄ）及び図４（ａ）〜（ｄ）から明らかなように、制御部１０は、ラック歯５ａとギヤ歯６ａとの相対的な噛み合い開始位置の変化量に基づいて、ガタ詰めトルク指示値を出力するように設定されている。その結果、ラック歯５ａとギヤ歯６ａとのガタ状態が変化しても、ラック歯５ａとギヤ歯６ａとを一定の位置で切り替え及び停止することができるようになり、ラック５の往復直線移動による振動の振幅Ｗが一定となる。

この制御部１０では、例えば図３（ｂ）に示すようなガタ状態をラック歯５ａとギヤ歯６ａとの基準位置とし、この基準位置を検出するための磁気式や光学式などのエンコーダ等の図示しない位置検出部により検出することが可能である。この位置検出部からの位置フィードバックに基づく指示値によりモータ３を正回転駆動させるときの基準位置や逆回転駆動させるときの基準位置を求めることで、この位置フィードバックに基づく指示値によりモータ３を初期状態の位置に戻す制御を行うことが可能となる。更には、例えばモータ３の回転位置に応じて複数のパラメータをＲＯＭやＲＡＭ等の記憶部に記憶させておくことで、その回転位置に応じたパラメータを選択することも可能である。

上記のように構成された制御部１０により、バックラッシュＧ相当分だけモータ３を逆回転方向に回転駆動させることなく、ラック歯５ａとギヤ歯６ａとのガタ詰めを緩やかに行うことができるようになり、そのガタ詰め時における衝撃や衝撃音などの発生をも抑制することが可能となる。

（実施の形態の効果）
以上のように構成された実施の形態に係る触覚呈示装置１は、上記効果に加えて、次の効果が得られる。

（１）ラック歯５ａとギヤ歯６ａとのバックラッシュＧを軽減するためのスプリングなどの機械的な格別な機構を必要とせずに、異なる量のバックラッシュＧがあっても、ラック歯５ａとギヤ歯６ａとの時間的なズレを適切に抑制することができる。
（２）ラック歯５ａとギヤ歯６ａとの相対的な噛み合い開始位置の変化量にかかわらず、操作者に対して同一の触感を呈示することが可能となる。
（３）ラック歯５ａとギヤ歯６ａとの相対位置関係が変わっても、操作者の手指に対して振動による触感の変化が生じることはない。
（４）格別な機構を使用しないので、部品点数を増やすことなく、構造が簡素化できる。そのため、組立工数の増加や各部品相互間の取付けを調整する作業の煩雑化等を防止することができる。
（５）触覚呈示装置１の駆動伝達系の小型化が達成されるので、機構の設置に必要な空間が拡がることがなくなり、設計上のレイアウト自由度が高められるとともに、触覚呈示装置１全体のコンパクト化を図ることができる。
（６）バックラッシュＧ区間内におけるガタ詰めトルクの応答精度を高くすることが可能であり、ガタ詰めトルクのバラツキやガタ詰めトルクの作動時間のバラツキにより、ガタ詰め精度が低下することはない。
（７）格別な機構を使用しないので、触覚呈示装置１の寿命を長くすることができる。

［変形例］
以上より、本発明における触覚呈示装置の代表的な構成例を実施の形態、及び図示例を挙げて説明したが、上記実施の形態、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。本発明の技術思想の範囲内において種々の構成が可能であり、次に示すような変形例も可能である。

（１）上記実施の形態、及び図示例では、操作者の手指に対して垂直な方向の触覚を呈示するタッチパネル２を操作部として例示したが、これに限定されるものではなく、例えばタッチパッドや操作部材の平面方向への移動操作に対して触覚を呈示する触覚呈示装置などに適用することができる。
（２）上記実施の形態、及び図示例では、モータ３とラック・ピニオン機構４とをアクチュエータとして例示したが、操作者の手指に対して触覚情報としてタッチパネル２を振動させることができる構成であれば、例えばギヤ列やボールねじなどの各種の駆動伝達機構を用いることができる。
（３）上記実施の形態に係る制御部１０は、ＣＰＵなどの各種の構成要素を実現する制御プログラム、制御プログラムを格納する記憶ユニット、外部接続用インターフェースを中心にハードウェアとソフトウェアとの任意の組合せにより実現される。その方法や装置としては、従来周知の各種の方法や装置を用いることができることは当業者には理解されるところであり、特に規定されるものではない。
（４）空調装置、オーディオ装置やナビゲーション装置を操作するための入力装置に限らず、例えば携帯電話機などの各種の携帯情報端末装置に適用することができることは勿論である。

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を例示したが、上記実施の形態、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。

１…触覚呈示装置、２…タッチパネル、３…モータ、３ａ…出力軸、４…ラック・ピニオン機構、５…ラック、５ａ…ラック歯、６…ピニオン、６ａ…ギヤ歯、１０…制御部

Claims (4)

1. 正逆回転可能なモータと、
   前記モータの正逆回転運動を往復直線運動に変換するギヤ機構と、
   操作者による操作に応じて、前記ギヤ機構の往復直線運動による振動が付与されることで触覚を呈示する操作部と、
   前記モータの正逆回転制御に優先して、前記ギヤ機構の対向ギヤの歯面間に存在するガタの詰めを行うためのガタ詰め制御を行う制御部と、
   を備えたことを特徴とする触覚呈示装置。
2. 前記ギヤ機構は、前記モータの回転軸に設けたモータ側ギヤと前記モータ側ギヤの回転を伝達する伝達側ギヤとを備えており、
   前記ガタ詰め制御は、前記伝達側ギヤを回転させない程度のトルクが作用するように前記モータ側ギヤを回転させる制御であることを特徴とする請求項１記載の触覚呈示装置。
3. 前記ガタ詰め制御は、電源投入時、あるいは触覚呈示後の少なくとも一方で、前記モータの正逆回転制御に優先して実行されることを特徴とする請求項１又は２記載の触覚呈示装置。
4. 前記操作部の位置を検出する位置検出部を備えており、
   前記制御部は、前記位置検出部からの位置信号に基づく指示値により、前記モータを制御するように設定されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の触覚呈示装置。

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