JP2017049828A

JP2017049828A - 触覚呈示装置

Info

Publication number: JP2017049828A
Application number: JP2015172978A
Authority: JP
Inventors: 大作後藤; Daisaku Goto
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2015-09-02
Publication date: 2017-03-09

Abstract

【課題】検出対象物によってなされたなぞり操作を安定して予め定められた領域で止め易くすることができる触覚呈示装置を提供する。
【解決手段】触覚呈示装置１は、操作指によって操作面１００になされたなぞり操作を検出するタッチパッド１０と、操作面１００を振動させ、操作指と操作面１００との摩擦力を低減させるアクチュエータ１２と、操作面１００の予め定められた領域に操作指が近づくに従ってアクチュエータ１２に供給する駆動電圧Ｖを上げ、予め定められた領域の境界において駆動電圧Ｖを下げるように制御し、予め定められた領域の境界において摩擦力のギャップを生じさせる制御部１４と、を備えて概略構成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、触覚呈示装置に関する。

従来の技術として、基板と、基板を横方向の動きまたは横振動に曝すための１またはそれ以上のアクチュエータと、基板を摩擦低減超音波振動に曝すための１またはそれ以上のその他のアクチュエータとを備えるハプティックデバイスが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

このハプティックデバイスは、ガラス板のような水平基板の垂直超音波振動を使用することにより、摩擦を調整して摩擦低減効果を与える。

特許第５６６５０９５号公報

しかし、従来のハプティックデバイスは、超音波振動するアクチュエータが長時間駆動されると、アクチュエータ自身の温度が上がって機能が低下する問題がある。

従って、本発明の目的は、検出対象物によってなされたなぞり操作を安定して予め定められた領域で止め易くすることができる触覚呈示装置を提供することにある。

本発明の一態様は、検出対象物によって操作面になされたなぞり操作を検出する検出部と、操作面を振動させ、検出対象物と操作面との摩擦力を低減させる振動部と、操作面の予め定められた領域に検出対象物が近づくに従って振動部に供給する駆動電圧を上げ、予め定められた領域の境界において駆動電圧を下げるように制御し、予め定められた領域の境界において摩擦力のギャップを生じさせる制御部と、を備えた触覚呈示装置を提供する。

本発明によれば、検出対象物によってなされたなぞり操作を安定して予め定められた領域で止め易くすることができる。

図１（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置の配置の一例を示す車両内部の概略図であり、図１（ｂ）は、触覚呈示装置のブロック図の一例である。図２（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置の触覚呈示領域における摩擦力の一例について説明するための模式図であり、図２（ｂ）は、目的領域の境界における摩擦力の一例を示した模式図である。図３（ａ）は、表示装置が表示する画像の一例を示した概略図であり、図３（ｂ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置のタッチパッドと表示装置とが絶対操作系を構成する場合の検出点と目的領域の位置関係の一例を示す概略図であり、図３（ｃ）は、タッチパッドと表示装置とが相対操作系を構成する場合の検出点と目的領域の位置関係の一例を示す概略図である。図４（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置の制御部が出力する駆動電圧Ｖのグラフの一例であり、図４（ｂ）は、操作指に生じる摩擦力Ｆ_Ｃのグラフの一例であり、図４（ｃ）は、操作指の操作速度ｖのグラフの一例である。図５は、実施の形態に係る触覚呈示装置の動作の一例を示すフローチャートである。

（実施の形態の要約）
実施の形態に係る触覚呈示装置は、検出対象物によって操作面になされたなぞり操作を検出する検出部と、操作面を振動させ、検出対象物と操作面との摩擦力を低減させる振動部と、操作面の予め定められた領域に検出対象物が近づくに従って振動部に供給する駆動電圧を上げ、予め定められた領域の境界において駆動電圧を下げるように制御し、予め定められた領域の境界において摩擦力のギャップを生じさせる制御部と、を備えて概略構成されている。

この触覚呈示装置は、予め定められた領域に近づくに従って駆動電圧が上がり、そして予め定められた領域の境界で下がって摩擦力のギャップを形成するように構成されているので、振動部が長時間同じ振幅で振動することによる過熱を抑制し、検出対象物によってなされたなぞり操作を安定して予め定められた領域で止め易くすることができる。

[実施の形態]
（触覚呈示装置１の概要）
図１（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置の配置の一例を示す車両内部の概略図であり、図１（ｂ）は、触覚呈示装置のブロック図の一例である。なお、以下に記載する実施の形態に係る各図において、図形間の比率は、実際の比率とは異なる場合がある。また図１（ｂ）では、主な情報などの流れを矢印で示している。

触覚呈示装置１は、例えば、図１（ａ）に示すように、車両８の運転席と助手席との間に伸びるフロアコンソール８０に配置されている。この触覚呈示装置１は、電磁気的に接続された電子機器の操作を行うことができるものである。触覚呈示装置１は、例えば、導電性を有するペンや操作指などの検出対象物による操作により、電子機器の表示部に表示されたカーソルの移動や選択、表示されたアイコンの選択、決定、ドラッグ、ドロップなどの指示を行うように構成されている。車両８のインストルメントパネル８１に配置された表示装置８５は、この電子機器の表示部として機能する。なお本実施の形態では、主に操作指によるなぞり操作について説明する。

触覚呈示装置１は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、操作指によって操作面１００になされたなぞり操作を検出する検出部としてのタッチパッド１０と、操作面１００を振動させ、操作指と操作面１００との摩擦力を低減させる振動部としてのアクチュエータ１２と、操作面１００の予め定められた領域に操作指が近づくに従ってアクチュエータ１２に供給する駆動電圧Ｖを上げ、予め定められた領域の境界において駆動電圧Ｖを下げるように制御し、予め定められた領域の境界において摩擦力のギャップを生じさせる制御部１４と、を備えて概略構成されている。

本実施の形態の予め定められた領域は、アクチュエータ１２が振動を停止する領域である。この予め定められた領域については、後述する。

（タッチパッド１０の構成）
図２（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置の触覚呈示領域における摩擦力の一例について説明するための模式図であり、図２（ｂ）は、目的領域の境界における摩擦力の一例を示した模式図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）は、一例として、操作指９が後述するアイコン８５２に対応する目的領域１０２に向かってなぞり操作がなされる場合を示している。

タッチパッド１０は、例えば、操作指で触れた操作面１００上の位置を検出するタッチセンサである。操作者は、例えば、操作面１００に操作を行うことにより、接続された電子機器の操作を行うことが可能となる。タッチパッド１０としては、例えば、抵抗膜方式、赤外線方式、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）方式、静電容量方式などのタッチパッド、操作面１００を撮像することにより接触位置を検出する検出装置などを用いることが可能である。本実施の形態では、タッチパッド１０は、一例として、静電容量方式のタッチパッドであるものとする。

タッチパッド１０は、一例として、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、表面が操作面１００となるパネル１０ａを有すると共に、絶縁状態を保ちながら交差する複数の駆動電極及び検出電極がパネル１０ａに配置されている。

タッチパッド１０は、この複数の駆動電極及び検出電極を走査し、駆動電極と検出電極の組み合わせで得られる静電容量を検出する。タッチパッド１０は、例えば、予め定められたしきい値と静電容量とを比較し、操作指が検出された検出点の座標を１周期分算出して検出情報Ｓ_１として周期的に制御部１４に出力する。この座標は、例えば、操作面１００に設定された直交座標系における座標である。

（アクチュエータ１２の構成）
アクチュエータ１２は、例えば、金属板と、圧電素子と、を備えたモノモルフ型の圧電アクチュエータである。このモノモルフ型圧電アクチュエータとは、１枚の圧電素子だけで屈曲する構造のアクチュエータである。圧電素子の材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などが用いられる。なお、アクチュエータ１２の変形例としては、２枚の圧電素子を金属板の両面に設けたバイモルフ型圧電アクチュエータであっても良い。

このアクチュエータ１２は、例えば、制御部１４から出力される正弦波となる駆動電圧Ｖに基づいて超音波で振動する。この超音波振動の振動数は、一例として、２０ｋＨｚ以上である。

（制御部１４の構成）
図３（ａ）は、表示装置が表示する画像の一例を示した概略図であり、図３（ｂ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置のタッチパッドと表示装置とが絶対操作系を構成する場合の検出点と目的領域の位置関係の一例を示す概略図であり、図３（ｃ）は、タッチパッドと表示装置とが相対操作系を構成する場合の検出点と目的領域の位置関係の一例を示す概略図である。図４（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置の制御部が出力する駆動電圧Ｖのグラフの一例であり、図４（ｂ）は、操作指に生じる摩擦力Ｆ_Ｃのグラフの一例であり、図４（ｃ）は、操作指の操作速度ｖのグラフの一例である。

図３（ａ）〜図３（ｃ）に示す矢印は、カーソル８５４及び操作指９の移動方向を示している。また図３（ｂ）に示す操作面１００と図３（ｃ）に示す操作面１００は、一例として、互いの形状が異なるものとしている。なお絶対座標系と相対座標系とは、例えば、表示装置８５に表示される画像や接続される電子機器によって切り替わっても良い。

図４（ａ）〜図４（ｃ）は、操作指が検出された操作面１００上の位置である検出点を原点とし、横軸を距離としている。また図４（ｂ）は、原点では振動が付加されないので浮揚力Ｆ_Ａが発生せず、また境界１０２ａに到達して振動が停止されるとパネル１０ａの慣性などによる浮揚力Ｆ_Ａが発生しているものの実質的に浮揚力Ｆ_Ａが発生していないと見なして、原点における摩擦力と境界１０２ａにおける摩擦力を実質的に等しいとしている。

制御部１４は、例えば、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに演算、加工等を行う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である。このＲＯＭには、例えば、制御部１４が動作するためのプログラムなどが格納されている。ＲＡＭは、例えば、一時的に演算結果などを格納する記憶領域として用いられる。また制御部１４は、その内部にクロック信号を生成する手段を有し、このクロック信号に基づいて動作を行う。

この制御部１４は、操作対象となる表示装置８５に表示された操作対象画像と表示装置８５に表示された振動を停止させるよう予め定められた画像との位置関係に基づいて操作面１００における操作指の検出位置から予め定められた領域を規定するように構成されている。また制御部１４は、予め定められた領域の境界付近における最大駆動電圧Ｖ_ｍａｘからゼロへと駆動電圧Ｖを下降させるように構成されている。

この操作対象画像は、一例として、図３（ａ）に示すカーソル８５４である。また本実施の形態の振動を停止させるように予め定められた画像は、一例として、図３（ａ）に示すアイコン８５２及びアイコン８５３である。また予め定められた領域は、一例として、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示す目的領域１０２及び目的領域１０３である。以下では、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、主に目的領域１０２に向かって操作する場合について説明する。

また制御部１４は、駆動電圧Ｖをアクチュエータ１２に供給し、アクチュエータ１２によってパネル１０ａを超音波で振動させることによって、スクイーズ効果による操作指９と操作面１００との摩擦を低減させる。

このスクイーズ効果とは、例えば、操作面１００の振動に基づいて操作指９と操作面１００の間に空気の膜のようなスクイーズ膜が形成される効果である。このスクイーズ効果によって、操作指９には、図２（ａ）に示すように、浮揚力Ｆ_Ａが作用する。

スクイーズ効果による浮揚力Ｆ_Ａは、操作面１００の法線方向に生じる力であり、なぞり操作に伴って操作者が操作面１００に作用させる荷重は、当該法線方向とは逆方向の力である。従って操作面１００に作用する操作荷重Ｆ_Ｂは、浮揚力Ｆ_Ａと当該荷重との合力となり、当該荷重よりも浮揚力Ｆ_Ａの分、操作荷重Ｆ_Ｂが小さくなる。図２（ａ）に示す操作荷重Ｆ_Ｂ１は、浮揚力Ｆ_Ａによって小さくなった操作荷重であり、浮揚力Ｆ_Ａが発生しない図２（ｂ）の操作荷重Ｆ_Ｂ２よりも小さい。

そしてなぞり操作に伴って操作指９に作用する摩擦力Ｆ_Ｃは、動摩擦係数と操作面１００の垂直抗力との乗算で求められるので、垂直抗力に比例している。この垂直抗力は、操作荷重Ｆ_Ｂの反作用として生じるので、スクイーズ効果がある場合の摩擦力Ｆ_Ｃ１が、ない場合の摩擦力Ｆ_Ｃ２よりも小さく、指滑りが良くなる。

本実施の形態では、このスクイーズ効果による摩擦力Ｆ_Ｃの低減は、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示すように、触覚呈示領域１０１において行われ、目的領域１０２及び目的領域１０３では、行われない。

なお触覚呈示装置１は、操作が検出されるまでは、アクチュエータ１２を駆動しないように構成されている。従って触覚呈示領域１０１は、例えば、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、操作指９が検出されてから目的領域１０２の境界１０２ａに到達するまでの領域が、触覚が呈示される触覚呈示領域１０１となる。

ここで摩擦力Ｆ_Ｃは、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、目的領域１０２に向かって駆動電圧Ｖが線形的に上昇するにつれて浮揚力Ｆ_Ａが大きくなり、この浮揚力Ｆ_Ａが大きくなったことでパネル１０ａに付加される操作荷重Ｆ_Ｂが小さくなって、操作開始時から境界１０２ａに向かって減少していく。操作指９は、例えば、図４（ｂ）に示すように、摩擦力Ｆ_Ｃが徐々に小さくなることで滑りが徐々に良くなって操作速度ｖが徐々に大きくなる。

駆動電圧Ｖは、図４（ａ）に示すように、点線で示す直線に沿って最大駆動電圧が大きくなるように、つまり線形的に大きくなるような波形を有している。図２（ｂ）に示すように、操作指９が境界１０２ａに到達する前後において駆動電圧Ｖが最大駆動電圧Ｖ_ｍａｘとなった直後にゼロとされる。なお駆動電圧Ｖは、一例として、アクチュエータ１２と同様の振動数を有することから境界１０２ａ付近の最大駆動電圧Ｖ_ｍａｘの位置と境界１０２ａとのずれが僅かなので、実質的に境界１０２ａにおいて最大駆動電圧Ｖ_ｍａｘに到達するとしている。

その結果、操作者は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、触覚呈示領域１０１における操作荷重Ｆ_Ｂ１に基づく摩擦力Ｆ_Ｃ１と目的領域１０２の境界１０２ａにおける操作荷重Ｆ_Ｂ２に基づく摩擦力Ｆ_Ｃ２との差（＝Ｆ_Ｃ２−Ｆ_Ｃ１）による力が操作方向とは逆方向に働くように感じる。そして操作指９の操作速度ｖは、図４（ｃ）に示すように、急峻に減速する。言い換えるなら触覚が呈示されている触覚呈示領域１０１と触覚が呈示されない目的領域１０２の摩擦力のギャップΔＦ_Ｃが生じ、このギャップΔＦ_Ｃが壁のようになって操作指９が目的領域１０２で止まり易くなる。

この目的領域１０２及び目的領域１０３は、上述のように、カーソル８５４とアイコン８５２及びアイコン８５３との位置関係に基づいて操作面１００における操作指９の検出位置から規定される。

制御部１４は、例えば、操作対象の電子機器から目的領域情報Ｓ_２を取得し、この目的領域情報Ｓ_２に基づいて目的領域１０２及び目的領域１０３を操作面１００に設定する。

図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、表示画面８５０と操作面１００とが一対一対応の絶対座標系を構成する場合、表示画面８５０を操作面１００に合わせて縮小するので、アイコン８５２に対応して目的領域１０２が位置し、アイコン８５３に対応して目的領域１０３が位置する。従って目的領域１０２及び目的領域１０３は、表示画面８５０と操作面１００との縮尺に合わせてアイコン８５２及びアイコン８５３を縮小した形状となる。

制御部１４は、この目的領域１０２及び目的領域１０３の位置と、操作指９が検出されている検出点１０５の位置とに応じて絶対座標系における駆動電圧Ｖを設定する。

また図３（ａ）及び図３（ｃ）に示すように、表示画面８５０と操作面１００とが相対座標系を構成する場合、一例として、操作指９が検出された検出点１０５が表示画面８５０に表示されているカーソル８５４の位置に対応し、カーソル８５４とアイコン８５２及びアイコン８５３の位置から検出点１０５と目的領域１０２及び目的領域１０３の位置が設定される。

制御部１４は、操作指９が検出されている検出点１０５の位置と、目的領域１０２及び目的領域１０３の位置とに応じて相対座標系における駆動電圧Ｖを設定する。

この駆動電圧Ｖの波形は、一例として、次のようにして設定される。制御部１４は、例えば、操作指９が検出点１０５において検出されると、次の周期の検出点１０５の座標から操作指９の操作方向を求める。そして制御部１４は、一例として、操作方向に存在し、操作目標と予想される目的領域の中心との距離から徐々に大きくなり、カーソル８５４がアイコンの境界と交差する、つまり検出点１０５が目的領域の境界に達するとゼロとなる波形を有する駆動電圧Ｖを設定する。

なお変形例として、制御部１４は、例えば、操作方向を求めると共に、操作方向に存在する目的領域の中心と検出点１０５を結んだ直線と目的領域との交点と、検出点１０５と、の距離に基づいて駆動電圧Ｖを徐々に大きくしても良い。他の変形例として、制御部１４は、例えば、目的領域を徐々に拡大した複数の領域を目的領域の周囲に設定し、その領域ごとに最大駆動電圧を設定し、検出点１０５が目的領域の境界に達すると駆動電圧Ｖをゼロとしても良い。上記の駆動電圧Ｖの生成方法は、一例であって他の方法でも良い。

また制御部１４は、タッチパッド１０から取得した検出情報Ｓ_１に基づいて操作情報Ｓ_３を接続された電子機器に出力する。

以下に、本実施の形態の触覚呈示装置１の動作の一例について図５のフローチャートに従って説明する。ここでは、主に目的領域として図３（ａ）に示す目的領域１０２にカーソル８５４を合わせる場合について説明する。

（動作）
触覚呈示装置１の制御部１４は、車両８の電源が投入されると、タッチパッド１０から周期的に検出情報Ｓ_１が入力すると共に、操作対象の電子機器から目的領域情報Ｓ_２が入力する。

制御部１４は、検出情報Ｓ_１を取得すると操作がなされたか確認する。また制御部１４は、目的領域情報Ｓ_２に基づいて目的領域１０２及び目的領域１０３を設定する。

制御部１４は、操作が検出されると（Ｓｔｅｐ１）、求めた操作方向と予想される目的領域１０２に基づいて触覚を呈示するため駆動電圧Ｖをアクチュエータ１２に出力する（Ｓｔｅｐ２）。

制御部１４は、ステップ３の「Ｙｅｓ」が成立する、つまり検出点１０５が目的領域１０２の境界１０２ａに到達した場合（Ｓｔｅｐ３：Ｙｅｓ）、駆動電圧Ｖを停止し（Ｓｔｅｐ４）、振動による触覚の呈示を終了する。

（実施の形態の効果）
本実施の形態に係る触覚呈示装置１は、目的領域に近づくに従って駆動電圧Ｖが上がり、そして目的領域の境界でゼロとなることで、摩擦力Ｆ_ＣのギャップΔＦ_Ｃを形成し、操作指の操作速度ｖを急峻に減少させるので、操作指によってなされたなぞり操作を安定して目的領域で止め易くすることができる。

触覚呈示装置１は、一定の駆動電圧でアクチュエータ１２を駆動する場合と比べて、ゼロの状態から線形的に駆動電圧Ｖを上昇させるので、消費電力が実質的に半分近くに抑制される。また触覚呈示装置１は、アクチュエータ１２の温度がキュリー点を超えることで逆圧電効果による振動の呈示ができなくなるような機能の低下を抑制することができる。従って触覚呈示装置１は、消費電力が小さく、アクチュエータ１２の過熱を抑制することができるので、安定して機能させることができる。

以上、本発明のいくつかの実施の形態及び変形例を説明したが、これらの実施の形態及び変形例は、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。これら新規な実施の形態及び変形例は、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、変更などを行うことができる。また、これら実施の形態及び変形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。さらに、これら実施の形態及び変形例は、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。

１…触覚呈示装置、８…車両、９…操作指、１０…タッチパッド、１０ａ…パネル、１２…アクチュエータ、１４…制御部、８０…フロアコンソール、８１…インストルメントパネル、８５…表示装置、１００…操作面、１０１…触覚呈示領域、１０２…目的領域、１０２ａ…境界、１０３…目的領域、１０５…検出点、８５０…表示画面、８５２…アイコン、８５３…アイコン、８５４…カーソル

Claims

検出対象物によって操作面になされたなぞり操作を検出する検出部と、
前記操作面を振動させ、前記検出対象物と前記操作面との摩擦力を低減させる振動部と、
前記操作面の予め定められた領域に前記検出対象物が近づくに従って前記振動部に供給する駆動電圧を上げ、前記予め定められた領域の境界において前記駆動電圧を下げるように制御し、前記予め定められた領域の境界において前記摩擦力のギャップを生じさせる制御部と、
を備えた触覚呈示装置。
前記予め定められた領域は、前記振動部が振動を停止する領域である、
請求項１に記載の触覚呈示装置。
前記制御部は、操作対象となる表示装置に表示された操作対象画像と前記表示装置に表示された振動を停止させるよう予め定められた画像との位置関係に基づいて前記操作面における前記検出対象物の検出位置から前記予め定められた領域を規定する、
請求項２に記載の触覚呈示装置。
前記制御部は、前記予め定められた領域の境界付近における最大駆動電圧からゼロへと駆動電圧を下降させる、
請求項１乃至３に記載の触覚呈示装置。