JP2021068259A

JP2021068259A - 触覚呈示装置

Info

Publication number: JP2021068259A
Application number: JP2019194033A
Authority: JP
Inventors: 啓太中根; Keita Nakane
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2021-04-30

Abstract

【課題】効率よく残振動を抑制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、図１（ｂ）及び図２（ａ）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、操作対象に付加された荷重Ｆを検出する荷重検出部２０と、操作の検出により、操作対象を駆動する駆動信号Ｓ２を触覚呈示部に出力し、検出された荷重Ｆに応じて触覚呈示後の残振動を抑制する抑制信号Ｓ４を触覚呈示部１８に出力するタイミングを制御する制御部２４と、を備えて概略構成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、触覚呈示装置に関する。

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、触覚の提示の際の変形に起因する板状部材の振動が終了した後、意図しない残振動が生じる。例えば、従来の触覚提示装置がこの残振動を抑制するために、残振動の逆波形の信号を円環状圧電素子に出力するように構成された場合、常に同じタイミングで残振動の逆波形の信号を出力すると、押し下げ荷重に応じて板状部材を含む振動系の固有振動数が変化するため、タイミングがずれて効率よく残振動を抑制することができない。

従って本発明の目的は、効率よく残振動を抑制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、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、操作対象に付加された荷重を検出する荷重検出部と、操作の検出により、操作対象を駆動する駆動信号を触覚呈示部に出力し、検出された荷重に応じて触覚呈示後の残振動を抑制する抑制信号を触覚呈示部に出力するタイミングを制御する制御部と、を備えた触覚呈示装置を提供する。

本発明によれば、効率よく残振動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（ａ）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り、図２（ｂ）は、テーブルの一例を示す概略図である。図３（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置の抑制信号を含まない駆動信号の一例を示し、図３（ｂ）は、荷重が小さい場合の操作面の変位の一例を示し、図３（ｃ）は、荷重が大きい場合の操作面の変位の一例を示し、図３（ｄ）は、抑制信号を含む駆動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、操作対象に付加された荷重を検出する荷重検出部と、操作の検出により、操作対象を駆動する駆動信号を触覚呈示部に出力し、検出された荷重に応じて触覚呈示後の残振動を抑制する抑制信号を触覚呈示部に出力するタイミングを制御する制御部と、を備えて概略構成されている。

触覚呈示装置は、ユーザの操作に対するフィードバックとしてユーザが接触している操作対象に振動による触覚を呈示する。この際、ユーザが操作対象に対して付加する荷重が大きくなると、操作対象を含む振動系の固有振動数が大きくなる。従って触覚の呈示後の残振動を抑制するために信号を出力する場合、荷重を考慮せずに出力すると固有振動数が変わるためにタイミングがずれ、残振動を効率よく減衰させることができない。しかし触覚呈示装置は、荷重に応じて残振動を抑制する抑制信号を出力するタイミングを変えるので、この構成を採用しない場合と比べて、効率よく残振動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（ａ）は、触覚呈示装置のブロック図の一例であり、図２（ｂ）は、テーブルの一例を示す概略図である。図３（ａ）は、抑制信号を含まない駆動信号の一例を示し、図３（ｂ）は、荷重が小さい場合の操作面の変位の一例を示し、図３（ｃ）は、荷重が大きい場合の操作面の変位の一例を示し、図３（ｄ）は、抑制信号を含む駆動信号の一例を示している。図３（ａ）〜図３（ｄ）は、横軸が時間ｔである。図３（ａ）及び図３（ｄ）は、縦軸が電圧Ｖである。図３（ｂ）及び図３（ｃ）は、縦軸が変位を示すＺ軸である。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（ａ）では、主な信号や情報の流れを矢印で示している。

本実施の形態の触覚呈示装置１は、触覚の呈示後に生じる残振動を抑制する抑制信号の出力のタイミングを荷重に応じて変えることにより、効率よく残振動を抑制するように構成されている。

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。

本実施の形態の触覚呈示装置１は、図１（ｂ）及び図２（ａ）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、操作対象に付加された荷重Ｆを検出する荷重検出部２０と、操作の検出により、操作対象を駆動する駆動信号Ｓ_２を触覚呈示部に出力し、検出された荷重Ｆに応じて触覚呈示後の残振動を抑制する抑制信号Ｓ_４を触覚呈示部１８に出力するタイミングを制御する制御部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。

制御部２４は、検出された荷重Ｆの大きさに応じて抑制信号Ｓ_４を出力するタイミングを早くするように構成されている。

また制御部２４は、検出された荷重Ｆの大きさに基づいて触覚の呈示終了から残振動の半波長後の時間を推定し、推定した半波長後のタイミングで抑制信号Ｓ_４を出力するように構成されている。

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。

（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２２に記憶された静電しきい値２２０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、図２（ａ）に示すように、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、１周期分の正弦波信号として駆動信号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。

（荷重検出部２０の構成）
荷重検出部２０は、図１（ｂ）に示すように、パネル１４の裏面１４１側に配置されている。この荷重検出部２０は、例えば、歪みゲージや圧電素子などを備えた荷重センサである。

荷重検出部２０は、図１（ｂ）及び図２（ａ）に示すように、ユーザの操作指９によって操作面１４０に荷重Ｆが付加された場合の電圧の変化を荷重Ｆに変換し、変換した荷重Ｆの情報を荷重情報Ｓ_３として制御部２４に出力するように構成されている。なお荷重検出部２０は、荷重Ｆに伴って電圧信号を出力し、制御部２４側で荷重Ｆに変換する構成であっても良い。

（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と共に時間の測定を行う。

制御部２４は、記憶部２２と電気的に接続されている。この記憶部２２は、静電しきい値２２０と、テーブル２２１と、を記憶している。記憶部２２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２２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。

ここで荷重Ｆが大きい場合、ユーザの操作指９が潰れて固くなる。そして操作指９が固くなっているので、操作指９、パネル１４、接触検出部１６及び支持部１２などを含む振動系の固有振動数が高くなる。この振動系の固有振動数が異なると、少なくとも残振動の半波長後の時間が異なる。従って残振動を減衰させる信号を、固有振動数を考慮せずに同じタイミングで出力する場合は、初期の段階で位相のずれが生じ、効率よく減衰させることができない。以下では、図３（ｂ）〜図３（ｄ）を参照してより固有振動数と残振動について説明する。

図３（ｂ）は、一例として、荷重Ｆ_ａが検出された場合の残振動ｆ_ａを示している。また図３（ｃ）は、一例として、荷重Ｆ_ｂが検出された場合の残振動ｆ_ｂを示している。荷重Ｆ_ｂは、荷重Ｆ_ａより大きい（荷重Ｆ_ａ＜荷重Ｆ_ｂ）ものとする。また残振動ｆ_ａは、時間ｔ_ａ〜時間ｔ_ｃまで継続するものとする。また残振動ｆ_ｂは、時間ｔ_ｄ〜時間ｔ_ｆまで継続するものとする。

図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、荷重Ｆ_ａ及び荷重Ｆ_ｂが異なる場合、固有振動数が変化し、残振動ｆ_ａの開始時間ｔ_ａから半波長経過後の時間ｔ_ｂと、残振動ｆ_ｂの開始時間ｔ_ｄから半波長経過後の時間ｔ_ｅと、が異なる。従って半波長後のタイミングは、固有振動数が大きい場合の時間Ｔ_ｂが時間Ｔ_ｂより早くなる。

残振動を減衰させる信号を触覚呈示部１８に出力する場合、残振動の開始時間は、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、固有振動数が異なっても同じであるが、半波長後には既に異なる。そこで制御部２４は、触覚の呈示前の荷重Ｆに応じて、残振動の半波長後の開始時間を推定し、その時間から残振動の半波長後の振動の逆位相となる抑制信号Ｓ_４を出力する。

テーブル２２１は、図２（ｂ）に示すように、荷重Ｆと抑制信号Ｓ_４を出力するタイミングである時間Ｔとを関連付けたものである。荷重Ｆ_１には、時間Ｔ_１が関連付けられ、荷重Ｆ_２〜荷重Ｆ_ｎ（ｎは３以上の整数）には、時間Ｔ_２〜時間Ｔ_ｎが関連付けられている。そして荷重Ｆは、荷重Ｆ_１〜荷重Ｆ_ｎの順番で大きくなる。また時間Ｔは、時間Ｔ_１〜時間Ｔ_ｎの順番で短くなる。このテーブル２２１は、測定して作成されても良いし、シミュレーションによって作成されても良い。

制御部２４は、検出された荷重Ｆとテーブル２２１とに基づいて抑制信号Ｓ_４を出力するタイミングを調整する。この抑制信号Ｓ_４は、図３（ｄ）に示すように、駆動信号Ｓ_２の終了時間ｔ_１から時間Ｔ後の時間ｔ_２から時間ｔ_３の間、出力される信号である。また抑制信号Ｓ_４は、図３（ｄ）に点線で示す残振動ｆの半波長後の波形の逆位相の波形を有する信号となっている。

制御部２４は、残振動の半波長後の波形の逆波形を有する抑制信号Ｓ_４を出力し、半波長後の波形を効率よく減衰させることで、その後の残振動を大きく減衰させることができる。なお抑制信号Ｓ_４は、半波長の信号であるがこれに限定されず、これより長い、半波長の整数倍の波長を有する信号でも良い。

なお変形例として制御部２４は、テーブル２２１ではなく、Ｔ＝ｆ（Ｆ）となる関数ｆ（Ｆ）を設定し、この関数ｆ（Ｆ）に検出された荷重Ｆを代入することで時間Ｔを推定するように構成されても良い。

なお変形例として抑制信号Ｓ_４は、振幅を荷重Ｆに応じて変えても良い。この場合、テーブル２２１には、荷重、時間、及び振幅が異なる抑制信号Ｓ_４が関連付けられている。制御部２４は、検出された荷重Ｆとテーブル２２１とに基づいて時間Ｔと、荷重Ｆに応じた振幅を有する抑制信号Ｓ_４を読み出して触覚呈示部１８に出力する。

制御部２４は、操作面１４０になされた操作の情報である操作情報Ｓ_５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_５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。なおこの際、制御部２４は、荷重検出部２０から荷重情報Ｓ_３を取得して荷重Ｆを記憶しても良い。

制御部２４は、検出された操作が予め定められた操作である場合（Ｓｔｅｐ２：Ｙｅｓ）、なされた操作に基づく操作情報Ｓ_５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、検出された荷重Ｆを取得する（Ｓｔｅｐ４）。なお制御部２４は、操作が検出された段階や操作が予め定められた操作であると判定した段階などのように、触覚を呈示する前に荷重Ｆを取得すれば良い。

制御部２４は、駆動信号Ｓ_２を触覚呈示部１８に出力して触覚を呈示する（Ｓｔｅｐ５）。そして制御部２４は、取得した荷重Ｆとテーブル２２１に基づいて抑制信号Ｓ_４を出力するタイミングを調整する（Ｓｔｅｐ６）。

制御部２４は、テーブル２２１を参照して荷重Ｆに対応する時間Ｔを取得し、駆動信号Ｓ_２が終了した時間から時間Ｔ後のタイミングで抑制信号Ｓ_４を出力し（Ｓｔｅｐ７）、残振動の抑制に関わる動作を終了する。

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_５を生成して接続された電子機器に出力する（Ｓｔｅｐ８）。

（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、効率よく残振動を抑制することができる。具体的には、触覚呈示装置１は、荷重Ｆに応じて抑制信号Ｓ_４を出力するタイミングを調整するので、荷重に関わらず同じタイミングで抑制信号を出力する場合と比べて、半波長後の残振動を位相のずれが少ない状態で減衰させることができる。また触覚呈示装置１は、位相のずれが少ない状態で初期の残振動を効果的に減衰させるので、以後の残振動も大きく抑制される。従って触覚呈示装置１は、半波長分の抑制信号Ｓ_４の出力であっても効率よく残振動を抑制することができる。

残振動は、振動系の固有振動数に応じて変化するので、数波長分の抑制信号を位相のずれを抑えて出力するのは難しい。またユーザは、位相がずれた場合、一様に減衰しないため、残振動による違和感が大きくなり、切れのある触覚を感じない。しかし触覚呈示装置１は、半波長分の抑制信号Ｓ_４によって残振動の初期の振動を効果的に減衰させ、以後の残振動を小さくすることができるので、この構成を採用しない場合と比べて、ユーザに与える違和感を緩和し、切れのある触覚を呈示することができる。

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…荷重検出部、２２…記憶部、２４…制御部、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、２２０…静電しきい値、２２１…テーブル

Claims

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、
前記操作対象に付加された荷重を検出する荷重検出部と、
操作の検出により、前記操作対象を駆動する駆動信号を前記触覚呈示部に出力し、検出された荷重に応じて触覚呈示後の残振動を抑制する抑制信号を前記触覚呈示部に出力するタイミングを制御する制御部と、
を備えた触覚呈示装置。
前記制御部は、検出された荷重の大きさに応じて前記抑制信号を出力するタイミングを早くする、
請求項１に記載の触覚呈示装置。
前記制御部は、検出された荷重の大きさに基づいて触覚の呈示終了から残振動の半波長後の時間を推定し、推定した前記半波長後のタイミングで前記抑制信号を出力する、
請求項１又は２に記載の触覚呈示装置。