JP2021068258A - 触覚呈示装置及び触覚呈示方法 - Google Patents

Abstract

【課題】触覚の呈示に伴う音の発生を抑制することができる触覚呈示装置及び触覚呈示方法を提供する。【解決手段】触覚呈示装置１は、操作対象に対する操作を検出する接触検出部１６と、操作対象を振動させて触覚を呈示する触覚呈示部１８と、操作対象の周囲の音を集音して集音信号Ｓ３に変換するマイクロフォン２０と、マイクロフォン２０から取得した集音信号Ｓ３に基づいてノイズ成分を抽出して抽出信号Ｓ４を生成する抽出部２２と、操作の検出により、駆動信号Ｓ２に基づいて触覚の呈示を行い、この触覚の呈示により集音された音から生成した抽出信号Ｓ４の逆位相信号Ｓ５を駆動信号Ｓ２に重畳して触覚の呈示を行う制御部２４と、を備えて概略構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、触覚呈示装置及び触覚呈示方法に関する。

従来の技術として、一方の主面を操作者が触れる操作面とする可撓性の板状部材における他方の主面に円環状圧電素子を固着させた触覚提示装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この触覚提示装置は、円環状圧電素子が電圧を印加するための電極を有し、電極に電圧を印加することによって、縮径もしくは拡径する変形を生じるものであり、円環状圧電素子の変形に伴って生じる板状部材の撓みによって、操作者に触覚を提示する。

特開２０１９−１６９００９号公報

従来の触覚提示装置は、触覚の提示の際、円環状圧電素子の駆動に伴って音が生じる問題がある。

従って本発明の目的は、触覚の呈示に伴う音の発生を抑制することができる触覚呈示装置及び触覚呈示方法を提供することにある。

本発明の一態様は、操作対象に対する操作を検出する接触検出部と、操作対象を振動させて触覚を呈示する触覚呈示部と、操作対象の周囲の音を集音して集音信号に変換するマイクロフォンと、マイクロフォンから取得した集音信号に基づいてノイズ成分を抽出して抽出信号を生成する抽出部と、操作の検出により、駆動信号に基づいて触覚の呈示を行い、この触覚の呈示により集音された音から生成した抽出信号の逆位相信号を駆動信号に重畳して触覚の呈示を行う制御部と、を備えた触覚呈示装置を提供する。

本発明によれば、触覚の呈示に伴う音の発生を抑制することができる。

図１（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置が搭載された車両内部の一例を示す概略図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩ（ｂ）−Ｉ（ｂ）線で切断した断面を矢印方向から見た断面図の一例である。 図２は、実施の形態に係る触覚呈示装置のブロック図の一例である。 図３（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置の駆動信号の一例を示し、図３（ｂ）は、集音信号の一例を示し、図３（ｃ）は、抽出信号の一例を示し、図３（ｄ）は、触覚呈示部に出力する信号の一例を示している。 図４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、操作対象に対する操作を検出する接触検出部と、操作対象を振動させて触覚を呈示する触覚呈示部と、操作対象の周囲の音を集音して集音信号に変換するマイクロフォンと、マイクロフォンから取得した集音信号に基づいてノイズ成分を抽出して抽出信号を生成する抽出部と、操作の検出により、駆動信号に基づいて触覚の呈示を行い、この触覚の呈示により集音された音から生成した抽出信号の逆位相信号を駆動信号に重畳して触覚の呈示を行う制御部と、を備えて概略構成されている。

この触覚呈示装置は、操作対象を振動させた際に生じる音のノイズ、振動のノイズを集音してノイズ成分を抽出し、このノイズ成分の逆位相信号を駆動信号に重畳して触覚を呈示すると共にノイズ成分を減衰するので、この構成を採用しない場合と比べて、触覚の呈示に伴う音の発生を抑制することができる。

[実施の形態]
（触覚呈示装置１の概要）
図１（ａ）は、触覚呈示装置が搭載された車両内部の一例を示す概略図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩ（ｂ）−Ｉ（ｂ）線で切断した断面を矢印方向から見た断面図の一例である。図２は、触覚呈示装置のブロック図の一例である。図３（ａ）は、駆動信号の一例を示し、図３（ｂ）は、集音信号の一例を示し、図３（ｃ）は、抽出信号の一例を示し、図３（ｄ）は、触覚呈示部に出力する信号の一例を示している。図３（ａ）〜図３（ｄ）は、横軸が時間ｔであり、縦軸が電圧Ｖ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２では、主な信号や情報の流れを矢印で示している。

ここで図３（ｂ）〜図３（ｄ）は、実際に集音した信号などではなく説明のために計算によって生成した信号である。具体的には、図３（ｂ）の集音信号Ｓ_３は、駆動信号Ｓ_２に対してランダムに生成したノイズ成分を重畳した信号である。また図３（ｃ）の抽出信号Ｓ_４は、図３（ｂ）においてランダムに生成したノイズ成分のみを抽出した信号である。さらに図３（ｄ）の信号は、時間ｔ_０から時間ｔ_１までが逆位相信号Ｓ_５が重畳されない駆動信号Ｓ_２であり、時間ｔ_１から時間ｔ_２までが駆動信号Ｓ_２に逆位相信号Ｓ_５を重畳した信号である。

本実施の形態の触覚呈示装置１は、予め定められた操作を受け付けた場合、予め定められた操作を受け付けたことをユーザにフィードバックするために触覚を呈示するように概略構成されている。そして触覚呈示装置１は、この触覚の呈示によって発生する音のノイズ、及び振動のノイズを抑制するように概略構成されている。

この触覚呈示装置１は、図１（ａ）に示すように、車両８のフロアコンソール８０に配置されている。触覚呈示装置１は、車両８に搭載されたナビゲーション装置、音楽及び映像再生装置、空調装置、自動運転の設定や車両８の基本設定を行える車両制御装置などの電子機器と電気的に接続され、表示装置８２に表示されるカーソルなどを操作可能に構成されている。なお触覚呈示装置１は、センターコンソール８１に配置され、タッチ操作を受け付ける表示装置８２のタッチパネルやステアリング８３の左右のスポーク部にそれぞれ配置されたタッチパッド８４として構成されても良く、またこれに限定されない。

触覚呈示装置１は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、操作対象に対する操作を検出する接触検出部１６と、操作対象を振動させて触覚を呈示する触覚呈示部１８と、操作対象の周囲の音を集音して集音信号Ｓ_３に変換するマイクロフォン２０と、マイクロフォン２０から取得した集音信号Ｓ_３に基づいてノイズ成分を抽出して抽出信号Ｓ_４を生成する抽出部２２と、操作の検出により、駆動信号Ｓ_２に基づいて触覚の呈示を行い、この触覚の呈示により集音された音から生成した抽出信号Ｓ_４の逆位相信号Ｓ_５を駆動信号Ｓ_２に重畳して触覚の呈示を行う制御部２４と、を備えて概略構成されている。

本実施の形態の接触検出部１６は、パネル１４の表面である操作面１４０になされた操作を検出する。従って操作対象は、操作面１４０である。なお変形例として操作対象は、回転操作可能なダイヤル、一次元方向の操作が可能なスライダの操作部、十字方向などに操作可能なジョイスティックの操作レバーなどであっても良い。

操作面１４０には、図１（ｂ）に示すように、ＸＹ座標が設定されている。このＸＹ座標は、運転席に着座するユーザから見て左上を原点としてＸ軸が左から右向かって正、Ｙ軸が前から後に向かって正となっている。そしてＺ軸は、操作面１４０の法線方向の軸であり、上方向が正となっている。操作面１４０は、触覚の呈示に伴って、Ｚ軸の正負方向に変位する。つまり操作面１４０は、触覚の呈示に伴って基準位置Ｐをから上下方向に変位する。

ノイズ成分は、大きく分けて音のノイズと振動のノイズに分けることができる。音のノイズは、触覚の呈示の際の作動音である。振動のノイズは、振動に起因するノイズである。

（接触検出部１６の構成）
接触検出部１６は、ユーザの操作指９が操作面１４０に接触することによって変化する静電容量を検出するように構成されている。この接触検出部１６は、複数の駆動電極と複数の検出電極を備えて構成され、駆動電極と検出電極とが互いに絶縁された状態で交差している。

接触検出部１６は、図１（ｂ）に示すように、パネル１４の裏面１４１に配置されている。このパネル１４は、例えば、ポリカーボネートなどの樹脂材料によって薄い板状に形成されている。パネル１４は、ベース１０とベース１０の上面１００に配置された複数の支持部１２によって支持されている。ベース１０は、ポリカーボネートなどの樹脂材料やアルミニウムなどの金属又は合金材料を用いて形成されている。また支持部１２は、シリコーンなどの弾性体材料を用いて柱体形状に形成されている。

接触検出部１６は、周期的に駆動電極と検出電極の全ての組み合わせにおける静電容量を検出し、周期ごとの静電容量を検出情報Ｓ_１として制御部２４に出力する。制御部２４は、記憶部２６に記憶された静電しきい値２６０と検出された静電容量とを比較し、ユーザの操作指９が検出されると、操作位置を算出する。この操作位置は、例えば、加重平均によって算出されるが重心を操作位置にするなど、他の算出方法で算出されても良い。

（触覚呈示部１８の構成）
触覚呈示部１８は、例えば、圧電素子、ボイスコイルモータ、偏心した錘が出力軸に取り付けられたモータなどのアクチュエータを備えて構成されている。本実施の形態の触覚呈示部１８は、一例として、ボイスコイルモータである。

触覚呈示部１８は、ベース１０とパネル１４の間に取り付けられている。触覚呈示部１８は、制御部２４から出力される駆動信号Ｓ_２に応じてパネル１４を振動させる。ユーザは、この振動を操作指９で受け、触覚を感じる。

駆動信号Ｓ_２は、図３（ａ）に示すように、時間ｔ_０において駆動が開始され、時間ｔ_１において駆動が終了する正弦波信号となっている。操作面１４０は、電圧Ｖが正電圧の場合、Ｚ軸の正方向に変位する。また操作面１４０は、電圧Ｖが負電圧の場合、Ｚ軸の負方向に変位する。なお図３（ａ）では、２周期分の正弦波として駆動信号Ｓ_２を図示しているが波形や周期などは一例であってこれに限定されない。

本実施の形態の触覚呈示部１８は、駆動信号Ｓ_２に基づいて振動を開始し、この振動で生じる音を抑制する逆位相信号Ｓ_５が生成されると、図３（ｄ）に示すように、駆動信号Ｓ_２と逆位相信号Ｓ_５とが重畳された信号に基づいて振動する。

（マイクロフォン２０の構成）
マイクロフォン２０は、図３（ｂ）に示すように、音を電圧Ｖに変換し、集音信号Ｓ_３として抽出部２２に出力するように構成されている。マイクロフォン２０は、図１（ｂ）に示すように、ベース１０の上面１００に配置されている。

マイクロフォン２０は、ベース１０とパネル１４の間の空間の音や振動の音を集音する。なおマイクロフォン２０の配置は、これに限定されず、操作面１４０側の音を集音するように配置されても良い。

（抽出部２２の構成）
抽出部２２は、集音信号Ｓ_３からノイズ成分を抽出し、抽出した信号を抽出信号Ｓ_４として制御部２４に出力するように構成されている。抽出部２２は、図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すように、マイクロフォン２０が生成した集音信号Ｓ_３と駆動信号Ｓ_２との差分を抽出信号Ｓ_４として生成する。

触覚呈示部１８が駆動されると、パネル１４が振動するので、触覚呈示部１８の作動音の他に、少なからず音が発生する。これらの音は、駆動信号Ｓ_２に応じて発生する。そのため、抽出部２２は、駆動信号Ｓ_２に遅れて音が発生することから駆動信号Ｓ_２と集音信号Ｓ_３の位相差を補正して差分を算出する。

（制御部２４の構成）
制御部２４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、加工などを行う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２４が動作するためのプログラムが格納されている。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２４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。

制御部２４は、記憶部２６と電気的に接続されている。この記憶部２６は、静電しきい値２６０を記憶している。記憶部２６は、例えば、制御部２４が配置された基板上に配置された半導体メモリであるがこれに限定されない。なお記憶部２６は、制御部２４が備えるＲＡＭやＲＯＭであっても良い。

制御部２４は、上述のように、予め定められた操作が受け付けられた場合、駆動信号Ｓ_２を触覚呈示部１８に出力してユーザに受け付けたことを示す触覚を呈示する。この予め定められた操作とは、例えば、長押操作、プッシュ操作などの選択された機能の決定に関わる操作や触覚を呈示する領域に到達したなぞり操作などであるがこれに限定されず、選択に関わる操作、受け付けられない操作などであっても良い。

制御部２４は、抽出信号Ｓ_４が集音信号Ｓ_３のノイズ成分であることから、このノイズ成分を減衰させるために、抽出信号Ｓ_４の逆位相となる逆位相信号Ｓ_５を生成する。この逆位相信号Ｓ_５は、抽出信号Ｓ_４の逆位相となる信号であるので、互いに打ち消し合ってノイズ成分が減衰する。

そこで、制御部２４は、駆動開始直後から集音信号Ｓ_３を取得して逆位相信号Ｓ_５をリアルタイムで生成し、駆動信号Ｓ_２の２周期目の開始時間ｔ_１から駆動信号Ｓ_２と逆位相信号Ｓ_５とを重畳して触覚呈示部１８に出力する。なお駆動信号Ｓ_２に逆位相信号Ｓ_５を重畳するタイミングは、これに限定されず、駆動信号Ｓ_２の波形に応じて半周期の整数倍の周期後に重畳しても良いし、リアルタイムに処理を行い、重畳可能となった時点から重畳しても良い。

制御部２４は、操作面１４になされた操作の情報である操作情報Ｓ_６を生成して接続された電子機器に出力する。この操作情報Ｓ_６は、一例として、検出された座標の情報やなぞり操作、押し下げ操作などの操作の内容についての情報を含む情報である。

以下に本実施の形態の触覚呈示装置１の動作について図４のフローチャートに従って説明する。

（動作）
触覚呈示装置１の制御部２４は、接触検出部１６から検出情報Ｓ_１を周期的に取得する。制御部２４は、ステップ１の「Ｙｅｓ」が成立する、つまり操作が検出されると（Ｓｔｅｐ１：Ｙｅｓ）、検出された操作が予め定められた操作、つまり触覚の呈示が必要な操作か確認する。

制御部２４は、検出された操作が予め定められた操作であって触覚の呈示を実施する場合（Ｓｔｅｐ２：Ｙｅｓ）、なされた操作に基づく操作情報Ｓ_６を生成して接続された電子機器に出力する（Ｓｔｅｐ３）。

制御部２４は、検出された操作に応じて触覚を呈示すると共にマイクロフォン２０を制御して集音信号Ｓ_３を抽出部２２に出力させ、抽出部２２を制御して集音信号Ｓ_３から抽出信号Ｓ_４を抽出させる（Ｓｔｅｐ４）。

制御部２４は、抽出部２２が抽出した抽出信号Ｓ_４を取得すると、逆位相信号Ｓ_５を生成する（Ｓｔｅｐ５）。

制御部２４は、生成した逆位相信号Ｓ_５を駆動信号Ｓ_２に重畳して出力し（Ｓｔｅｐ６）、触覚の呈示が終わると処理を終了する。なお制御部２４は、触覚の呈示が終了するまで、抽出信号Ｓ_４からリアルタイムで逆位相信号Ｓ_５を生成して駆動信号Ｓ_２に重畳する。

ここでステップ２において制御部２４は、なされた操作が触覚を呈示する必要がある予め定められた操作でない場合（Ｓｔｅｐ２：Ｎｏ）、なされた操作に応じた操作情報Ｓ_６を生成して接続された電子機器に出力する（Ｓｔｅｐ７）。

（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、触覚の呈示に伴う音の発生を抑制することができる。具体的には、触覚呈示装置１は、触覚の呈示に伴って発生する音をマイクロフォン２０で集音すると共にノイズ成分を抽出し、抽出したノイズ成分の逆位相の逆位相信号Ｓ_５を駆動信号Ｓ_２に重畳してさらに触覚の呈示を行う。触覚呈示装置１は、この構成を採用しない場合と比べて、ノイズ成分を減衰させることができ、触覚の呈示に伴う音の発生を抑制することができる。

触覚呈示装置１は、音のノイズと振動のノイズを集音して集音信号Ｓ_３を生成し、この集音信号Ｓ_３に基づいて抽出信号Ｓ_４及び逆位相信号Ｓ_５を生成してノイズ成分を減衰させるので、この構成を採用しない場合と比べて、音のノイズと振動のノイズの双方を抑制することができる。

ここで他の実施の形態としての触覚呈示装置１は、マイクロフォン２０が触覚の呈示前の周囲の音を集音して呈示前の集音信号Ｓ_３を出力し、制御部は、呈示前の集音信号Ｓ_３の逆位相信号Ｓ_５を駆動信号Ｓ_２に重畳して触覚の呈示を開始する。

そして制御部２４は、触覚の呈示における集音信号Ｓ_３から抽出信号Ｓ_４及び逆位相信号Ｓ_５を生成し、駆動信号Ｓ_２に逆位相信号Ｓ_５を重畳して触覚呈示部１８を駆動する。

この触覚呈示装置１は、触覚呈示前の集音信号から逆位相信号を生成しない場合と比べて、振動のノイズの逆位相信号Ｓ_５が生成される前の音のノイズを抑制することができる。

また他の実施の形態としての触覚呈示方法は、操作対象に対する操作を検出し、操作対象を振動させて触覚を呈示し、操作対象の周囲の音を集音して集音信号に変換し、マイクロフォンから取得した集音信号に基づいてノイズ成分を抽出して抽出信号を生成し、操作の検出により、駆動信号に基づいて触覚の呈示を行い、この触覚の呈示により集音された音から生成した抽出信号の逆位相信号を駆動信号に重畳して触覚の呈示を行う。

この触覚呈示方法は、触覚呈示方法を実行させるプログラムやこのプログラムを記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体として提供されても良い。

以上述べた少なくとも１つの実施の形態の触覚呈示装置１及び触覚呈示方法によれば、触覚の呈示に伴う音の発生を抑制することが可能となる。

上述の実施の形態及び変形例に係る触覚呈示装置１及び触覚呈示方法は、例えば、用途に応じて、その一部が、コンピュータが実行するプログラム、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）及びＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などによって実現されても良い。

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共に、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…ベース、１２…支持部、１４…パネル、１６…接触検出部、１８…触覚呈示部、２０…マイクロフォン、２２…抽出部、２４…制御部、２６…記憶部、８０…フロアコンソール、８１…センターコンソール、８２…表示装置、８３…ステアリング、８４…タッチパッド、１００…上面、１４０…操作面、１４１…裏面、２６０…静電しきい値

Claims (4)

1. 操作対象に対する操作を検出する接触検出部と、
   前記操作対象を振動させて触覚を呈示する触覚呈示部と、
   前記操作対象の周囲の音を集音して集音信号に変換するマイクロフォンと、
   前記マイクロフォンから取得した前記集音信号に基づいてノイズ成分を抽出して抽出信号を生成する抽出部と、
   操作の検出により、駆動信号に基づいて触覚の呈示を行い、この触覚の呈示により集音された音から生成した前記抽出信号の逆位相信号を前記駆動信号に重畳して触覚の呈示を行う制御部と、
   を備えた触覚呈示装置。
2. 前記抽出部は、前記マイクロフォンが生成した前記集音信号と前記駆動信号との差分を前記抽出信号として生成する、
   請求項１に記載の触覚呈示装置。
3. 前記マイクロフォンは、触覚の呈示前の周囲の音を集音して呈示前の集音信号を出力し、
   前記制御部は、前記呈示前の集音信号の逆位相信号を前記駆動信号に重畳して触覚の呈示を開始する、
   請求項１又は２に記載の触覚呈示装置。
4. 操作対象に対する操作を検出し、
   前記操作対象を振動させて触覚を呈示し、
   前記操作対象の周囲の音を集音して集音信号に変換し、
   前記マイクロフォンから取得した前記集音信号に基づいてノイズ成分を抽出して抽出信号を生成し、
   操作の検出により、駆動信号に基づいて触覚の呈示を行い、
   この触覚の呈示により集音された音から生成した前記抽出信号の逆位相信号を前記駆動信号に重畳して触覚の呈示を行う、
   触覚呈示方法。

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