JP5270118B2 - 触覚提示装置及び触覚提示方法 - Google Patents

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Description

本発明は触覚提示装置及び触覚提示装置の駆動方法に係り、特に、触覚提示部の動きによって情報を触覚的に提示する触覚提示装置及び触覚提示装置の駆動方法に関する。
近年、コンピュータ入力機器、あるいは、オーディオ装置の操作部、あるいは、車載のナビゲーションの操作部などの操作装置として、操作者が触覚提示部に指先を触れることで、操作者の指先に力を感じさせ、触覚に通じて情報を操作者に伝達する触覚提示装置が開発されている。
平面移動型の触覚提示装置は、例えば、平面上に密着して配置した4つの磁石の上を、磁石と平行するように駆動コイルを配置し、その駆動コイルに電流を流すことで、駆動コイルに推力を発生している。従来、平面状に配置した磁石と、対向する位置に駆動コイルを配設し、この駆動コイルに供給する電流を制御することにより駆動コイルに力を発生させ、触覚提示部を相対移動させている(例えば、特許文献1、2参照)。
特開2000−330688号公報 特開2004−145748号公報
このような、触覚提示装置を、コンピュータの入力装置や自動車などの操作装置として使用するためには、小型で、かつ、推力を強くしたいという要望がある。
しかし、この種の触覚提示装置では、推力を強くするためには磁石の磁界を増加させるか、駆動コイルに供給する電流を増加させる必要がある。磁石の磁界を増加させるには、材料を選択や体積の増加が必要となる。磁界を大きくできる材料を選択すると、非常に効果になる。また、体積を増加させると、小型化の要求を満足できなくなる。
このため、駆動コイルに供給する電流を増加させることにより対処する必要がでてきる。しかし、駆動コイルに供給する電流を増加させると、発熱が増える。装置を小型化すると、放熱性が劣化するため、体積当たりの発熱が大きくなるという課題があった。
このため、発熱を大きくせずに、小型化で、強い推力が得られる触覚提示装置が望まれていた。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、発熱を大きくせずに、小型化で、強い推力が感じられる触覚提示装置及び触覚提示装置の駆動方法を提供することを目的とする。
本発明は、触覚提示部と、マグネットと、マグネットと磁気的に作用して、触覚提示部を駆動させるコイルと、前記触覚提示部を駆動させる基本パルスと、前記基本パルスの立ち上がりに付加され、前記基本パルスと同一極性で、前記基本パルスの振幅の125%以上の振幅を持つ補助パルスと、を生成し、前記コイルに供給することを特徴とする。
また、本発明は、前記補助パルスは、前記基本パルスと同一極性で、前記基本パルスの振幅の125%以上の振幅を持つ第1補助パルスと、前記第1補助パルスと前記基本パルスとの間に付加され、前記基本パルスと同一極性で、前記基本パルスの振幅の75%以下の振幅を持つ第2補助パルスとを含むことを特徴とする。
また、本発明は、更に、前記基本パルスの立ち下がりに付加され、前記基本パルスと逆極性で、前記基本パルスの振幅の25%以上の振幅を持つ第3補助パルスを生成し、前記コイルに供給することを特徴とする。
また、本発明は、前記補助パルスの継続時間は20ms以上であることを特徴とする。
また、本発明は、前記第1補助パルスの継続時間と、前記第2の補助パルスの継続時間と、はそれぞれ10ms以上であることを特徴とする。また、本発明は、前記第3補助パルスの継続時間は、20ms以上であることを特徴とする。
また、本発明は、触覚提示部と、マグネットと、前記マグネットと磁気的に作用して、前記触覚提示部を駆動させるコイルと、前記触覚提示部の駆動の開始動作又は駆動の停止動作が強調されるように前記触覚提示部が駆動される駆動信号を生成し、前記コイルに供給する駆動回路を有し、前記駆動信号は、基本パルスと、前記基本パルスの立ち上がりに付加される補助パルスとを含み、前記補助パルスは、前記基本パルスと同一極性である第1補助パルスと、前記第1補助パルスと前記基本パルスとの間に付加され、前記基本パルスと同一極性である第2補助パルスとを含むことを特徴とする。
また、本発明は、更に、前記基本パルスの立ち下がりに付加され、前記基本パルスと逆極性である第3補助パルスを生成し、前記コイルに供給することを特徴とする。
本発明によれば、触覚提示部と、マグネットと、マグネットと磁気的に作用して、触覚提示部を駆動させるコイルとを有する触覚提示装置の触覚提示部の駆動の開始動作又は駆動の停止動作が強調されるように触覚提示部が駆動される駆動信号を生成し、コイルに供給することにより、触覚提示部の動作開始及び動作停止が明確になり、これにより、コイルに供給する電流をわずかに増加させるだけで、触覚提示部に働く推力を実際の推力より大きく感じさせることができる。よって、発熱を大きくせずに、小型化で、強い推力を感じさせることが可能となる。
図1は本発明の一実施例の斜視図、図2は本発明の一実施例の要部の分解斜視図、図3は本発明の一実施例のブロック構成図、図4は本発明の一実施例の動作説明図を示す。
触覚提示装置100は、いわゆる、触覚アクチュエータとよばれる触覚デバイスである。触覚提示装置100は、制御部116からの駆動信号に基づいて触覚提示部112を操作面、X−Y平面上で駆動することができる。
固定部111は、フレーム121にマグネット122a、122b、122c、122dをX−Y平面上で円環状に固定した構成とされている。マグネット122a、122b、122c、122dは板状をなし、隣接するマグネットはX−Y平面に直交する方向、矢印Z方向に磁極を有し、かつ、隣接するマグネットは互いに極性が異なるように配置されている。
触覚提示部112は、回路基板131にホールIC132、及び、コイル133a、133b、133c、133d、コントローラ134を搭載した構成とされており、固定部111に対してX−Y平面上で移動する。触覚提示部112には、触覚部130が設けられており、触覚部130の移動に応じて移動する。
ホールIC132は、4つのホール素子132a、132b、132c、132dが搭載されている。ホール素子132a、132b、132c、132dは、コントローラ134に接続されている。
コントローラ134は、アンプ141a、141b、MCU142、ドライバ143、記憶装置144から構成されている。アンプ141aは、ホール素子132aの出力とホール素子132cの出力との差分を出力する。ホール素子132a及びホール素子132cは、例えば、X軸方向に配列されている。アンプ141aの出力は、触覚提示部112の固定部111に対するX軸方向の位置に応じた信号となる。
アンプ141bは、ホール素子132bの出力とホール素子132dの出力との差分を出力する。ホール素子132b及びホール素子132dは、例えば、X軸方向に配列されている。アンプ141bの出力は、Y軸方向の位置に応じた信号となる。
アンプ141a、142bの出力は、MCU142に供給される。MCU142は、アンプ141a、142bの出力から触覚提示部112の固定部111に対する位置情報を作成し、制御部116に供給する。
また、MCU142は、記憶装置144にインストールされたプログラムに基づく処理を実行する。MCU142で実行される処理としては、制御部116から供給される駆動指示に基づいて駆動信号を生成し、ドライバ143に供給する処理がある。このとき、MCU142は、記憶装置144に記憶された補助パルス波形データなどに基づいて駆動信号を生成する。
駆動信号は、アナログ波形でも、PWM(Pulse Width Modulation;パルス幅変調)などのデジタル波形であってもよい。
ドライバ143は、例えば、電流増幅回路、電力増幅記、Hブリッジドライバ回路などであり、MCU142からの駆動信号に基づいてコイル133a、133b、133c、133dに駆動電流を供給する。コイル133a、133b、133c、133dは、マグネット122a、122b、122c、122dに対向した配置されている。このとき、コイル133aはマグネット122aとマグネット122bにまたがって配置され、コイル133bは、マグネット122bとマグネット122cにまたがって配置され、コイル133cは、マグネット122cとマグネット122dにまたがって配置され、コイル133dは、マグネット122dとマグネット122aにまたがって配置されている。上記構成によりマグネット122a、122b、122c、122d及びコイル133a、133b、133c、133dによりX−Y平面上で駆動されるボイスコイルモータが構成される。
これにより、触覚提示部112はコイル133a、133b、133c、133dに駆動電流を流すことによりX−Y平面上で移動する。
図5はMCU142の推力コマンド受信時の処理フローチャートを示す。
MCU142は、ステップS1−1で上位装置から推力コマンドを受信すると、ステップS1−2で受信した推力コマンドを解釈して、受信した推力コマンドに応じて補助パルス波形を選択する。
MCU142は、ステップS1−3で推力コマンドにより得られる基本パルスから推力コマンドに応じた補助パルスの波形を作成する。例えば、基本パルスの振幅の略1.5倍の振幅の補助パルスを作成する。
MCU142は、ステップS1−4で作成した補助パルスを、ドライバ153を介してコイル133a、133b、133c、133dに出力する。MCU142は、ステップS1−5で補助パルスを出力してから、20msec経過したか監視しており、ステップS1−5で補助パルスを出力してから20msec経過すると、ステップS1−6で補助パルスに代えて基本パルスを出力する。
MCU142は、ステップS1−7で上位装置からのオフコマンドの受信を監視する。MCU142は、ステップS1−7で上位装置からオフコマンドを受信すると、ステップS1−8で受信したオフコマンドを解釈し、オフ時の補助パルス波形を選択する。
MCU142は、ステップS1−9で基本パルスからコマンドに応じた補助パルスの波形を作成する。MCU142は、ステップS1−10で補助パルスを出力する。MCU142は、ステップS1−11で補助パルスの出力を終了して処理を終了する。
なお、上記処理で得られた駆動信号は、例えば、推力の方向に応じてコイル133a、133b、133c、133dに分配される。あるいは、推力の方向に応じてコイル133a、133b、133c、133d毎に別々に上記のように補助パルスと基本パルスとからなる駆動信号を作成するようにしてもよい。
次に処理により得られる駆動波形について説明する。
図6は、駆動信号の波形図を示す。
MCU142が推力コマンドを受信すると、まず、時刻t1でドライバ153からコイル133a、133b、133c、133dのうち駆動すべきコイルに補助パルスpa1が出力される。
次に、本実施例の補助パルスと基本パルスからなる駆動信号を用いた場合の効果について説明する。
図7乃至図15は触覚実験結果を説明するための図を示している。
図7は基本パルスpbの推力指示値が128(推力約0.4N)、継続時間が300msecとし、補助パルスpa1の推力指示値、及び継続時間を可変したときの駆動信号と基本パルスのみからなる駆動信号とを比較した比較結果、図8は基本パルスpbの推力指示値が128、継続時間が500msecとし、補助パルスpa1の推力指示値、及び継続時間を可変したときの駆動信号と基本パルスのみからなる駆動信号とを比較した比較結果を示している。また、図7(A)、図8(A)は被験者A、図7(B)、図8(B)は被験者Bの調査結果を示している。さらに、図7、図8において、○は、補助パルスと基本パルスとからなる駆動信号と基本パルスのみからなる駆動信号との差を認識できたもの、×は、認識できないものを示している。
なお、図7、図8は、補助パルスpa1の推力指示値を64、48、32、24、16の5段階変化させたときの比較結果を示している。
なお、補助パルスpa1の推力指示値64は、基本パルスpbの推力指示値128に64を加算した推力指示値(128+64)=192であり、約0.6Nである。また、補助パルスpa1の推力指示値16は、基本パルスpbの推力指示値128に16を加算した推力指示値(128+16)=144であり、約0.45Nである。
また、図9(A)は基本パルスのみからなる駆動信号の電流波形、図9(B)は基本パルスのみからなる駆動信号による推力波形を示している。
さらに、図10(A)は補助パルスの継続時間を100msecとしたときの駆動信号の電流波形、図10(B)は補助パルスの継続時間を100msecとしたときの駆動信号による推力波形、図11(A)は補助パルスの継続時間を80msecとしたときの駆動信号の電流波形、図11(B)は補助パルスの継続時間を80msecとしたときの駆動信号による推力波形、図12(A)は補助パルスの継続時間を60msecとしたときの駆動信号の電流波形、図12(B)は補助パルスの継続時間を60msecとしたときの駆動信号による推力波形、図13(A)は補助パルスの継続時間を40msecとしたときの駆動信号の電流波形、図13(B)は補助パルスの継続時間を40msecとしたときの駆動信号による推力波形、図14(A)は補助パルスの継続時間を20msecとしたときの駆動信号の電流波形、図14(B)は補助パルスの継続時間を20msecとしたときの駆動信号による推力波形、図15(A)は補助パルスの継続時間を10msecとしたときの駆動信号の電流波形、図15(B)は補助パルスの継続時間を10msecとしたときの駆動信号による推力波形を示している。
図7、図8に示すように補助パルスpa1の推力指示値が32、すなわち、(128+32)=160、約0.5N、基本パルスpbの125%以上であり、継続時間が20msecより大きければ、基本パルスpbのみの駆動信号で駆動した場合との違いを感じることができることがわかる。
図9(B)−図15(B)に示すように、推力波形には立ち上がり、立ち下がりの変化時にオーバーシュートと振動がある。そのため、図15(B)に示すように継続時間が短い(例えば、10ms程度)であると、補助パルスpa1による効果がオーバーシュートに埋没してしまい、基本パルスpbのみからなる駆動信号で駆動した推力に対してその強調効果が認識できない。
また、補助パルスpa1の推力指示値が16、すなわち、(128+16)=144、約0.45N、基本パルスpbの112.5%程度では、継続時間を長く、例えば、100msecとしても基本パルスpbのみの駆動信号で駆動した場合との違いを感じることができなかった。なお、補助パルスpa1の推力指示値が24、すなわち、(128+24)=152、約0.475N、基本パルスpbの119%では、基本パルスpbのみの駆動信号で駆動した場合との違いを感じることができたり、できなかったりする。
このように、補助パルスpa1の効果を感じさせるには、推力を大きくすることが有効となる。例えば、補助パルスpa1の推力指示値を基本パルスpbの推力指示値の125%以上とすることにより、効果的となる。また、補助パルスpa1の継続時間も20msec以上とすることにより効果的となる。
また、基本パルスpbの立ち下がりに補助パルスpa2を付加することにより推力の印加の終了を明確に認識できる。
なお、本実施例では、補助パルスpa1を方形波としたが、補助パルスpa1の波形を方形波に限定されるものではない。
図16は、駆動信号の第1変形例の波形図を示す。
本変形例の駆動信号は、補助パルスpa11の波形が図6に示す補助パルスpa1と相違する。
本変形例の補助パルスpa11は、基本パルスpbとは反対の極性で、振幅が基本パルスpbの25%以上、パルス幅が例えば、20msecとされている。
補助パルスpa11を基本パルスpbに付加することにより、基本パルスpbにより発生する推力とは反対の方向に推力が働いた後に、基本パルスpbによる推力が働くことになる。これにより、推力の変化を基本パルスpbの振幅に応じた推力より大きくでき、基本パルスpbによる推力を確実に、かつ、大きくなったように認識できるようになる。
図17は、駆動信号の第2変形例の波形図を示す。
本変形例の駆動信号は、補助パルスpa21の波形が図6、図16に示す補助パルスpa1、pa11と相違する。
本変形例の補助パルスpa21は、第1補助パルスpa31、及び、第2補助パルスpa32から構成されている。第1補助パルスpa31は、基本パルスpbと同じ極性で、基本パルスpbの振幅の125%以上の振幅を有し、略10msec継続するパルスである。また、第2補助パルスpa32は、第1補助パルスpa31に続いて出力されるパルスであり、基本パルスpbの振幅の75%程度の振幅を有し、略10msec継続するパルスである。
本変形例の補助パルスpa21を基本パルスpbに付加することにより、第1補助パルスpa31により基本パルスpbによる推力より大きい推力が発生した後、第2補助パルスpa32により基本パルスpbによる推力より小さい推力が発生し、その後に基本パルスpbによる推力が働くことになる。よって、基本パルスpbによる推力を確実に、かつ、大きくなったように認識できるようになる。
なお、本実施例では、上位装置からのコマンドに基づいて触覚提示装置100で基本パルスに付加する補助パルスを生成し、コイル133a、133b、133c、133dに供給するようにしたが、上位装置側で上記のような基本パルス及び補助パルスからなるパルス波形を生成し、触覚提示装置100に供給して、上位装置から供給されたパルス波形によって触覚提示装置100を駆動するようにしてもよい。
また、本実施例では、基本パルスの立ち上がり時について説明を行ったが、出力する推力波形が立ち上がるときに同様に補助パルスを付加することによって、同様な効果が得られる。
さらに、本実施例では、2次元触覚提示装置を例に説明を行ったが、1次元触覚提示装置であっても、3次元触覚提示装置であってもよい。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変形例が考えられることは言うまでもない。
本発明の一実施例の斜視図である。 本発明の一実施例の分解斜視図である。 本発明の一実施例のブロック構成図である。 触覚提示装置100の動作説明図である。 MCU142の推力コマンド受信時の処理フローチャートである。 駆動信号の波形図である。 触覚実験結果を説明するための図である。 触覚実験結果を説明するための図である。 触覚実験結果を説明するための図である。 触覚実験結果を説明するための図である。 触覚実験結果を説明するための図である。 触覚実験結果を説明するための図である。 触覚実験結果を説明するための図である。 触覚実験結果を説明するための図である。 触覚実験結果を説明するための図である。 駆動信号の第1変形例の波形図である。 駆動信号の第2変形例の波形図である。
符号の説明
100 触覚提示装置
111 固定部、112 触覚提示部
121 フレーム、122a、122b、122c、122d マグネット
130 触覚部、131 回路基板、132 ホールIC
133a、133b、133c、133d ボイスコイル、134 コントローラ
141a、141b アンプ、142 MCU、143 ドライバ、144 記憶装置

Claims (14)

  1. 触覚提示部と、
    マグネットと、
    前記マグネットと磁気的に作用して、前記触覚提示部を駆動させるコイルと、
    前記触覚提示部を駆動させる基本パルスと、前記基本パルスの立ち上がりに付加され、前記基本パルスと同一極性で、前記基本パルスの振幅の125%以上の振幅を持つ補助パルスと、を生成し、前記コイルに供給する駆動回路を有し、
    前記補助パルスは、
    前記基本パルスと同一極性で、前記基本パルスの振幅の125%以上の振幅を持つ第1補助パルスと、
    前記第1補助パルスと前記基本パルスとの間に付加され、前記基本パルスと同一極性で、前記基本パルスの振幅の75%以下の振幅を持つ第2補助パルスとを含むことを特徴とする触覚提示装置。
  2. 前記駆動回路は、
    更に、前記基本パルスの立ち下がりに付加され、前記基本パルスと逆極性で、前記基本パルスの振幅の25%以上の振幅を持つ第3補助パルスを生成し、前記コイルに供給することを特徴とする請求項記載の触覚提示装置。
  3. 前記補助パルスの継続時間は20ms以上であることを特徴とする請求項1又は2記載の触覚提示装置。
  4. 前記第1補助パルスの継続時間と、前記第2の補助パルスの継続時間と、はそれぞれ10ms以上であることを特徴とする請求項記載の触覚提示装置。
  5. 前記第3補助パルスの継続時間は、20ms以上であることを特徴とする請求項記載の触覚提示装置。
  6. 触覚提示部と、
    マグネットと、
    前記マグネットと磁気的に作用して、前記触覚提示部を駆動させるコイルと、
    前記触覚提示部の駆動の開始動作又は駆動の停止動作が強調されるように前記触覚提示部が駆動される駆動信号を生成し、前記コイルに供給する駆動回路を有し、
    前記駆動信号は、
    基本パルスと、
    前記基本パルスの立ち上がりに付加される補助パルスとを含み、
    前記補助パルスは、
    前記基本パルスと同一極性である、前記基本パルスより大きな第1補助パルスと、
    前記第1補助パルスと前記基本パルスとの間に付加され、前記基本パルスと同一極性である、前記基本パルスより小さな第2補助パルスとを含むことを特徴とする触覚提示装置。
  7. 前記駆動回路は、
    更に、前記基本パルスの立ち下がりに付加され、前記基本パルスと逆極性である第3補助パルスを生成し、前記コイルに供給することを特徴とする請求項記載の触覚提示装置。
  8. 触覚提示部と、
    マグネットと、
    前記マグネットと磁気的に作用して、前記触覚提示部を駆動させるコイルと、を有する触覚提示装置の駆動方法であって、
    前記触覚提示部を駆動させる基本パルスと、前記基本パルスの立ち上がりに付加され、前記基本パルスと同一極性で、前記基本パルスの振幅の125%以上の振幅を持つ補助パルスと、を生成し、前記コイルに供給し、
    前記補助パルスは、
    前記基本パルスと同一極性で、前記基本パルスの振幅の125%以上の振幅を持つ第1補助パルスと、
    前記第1補助パルスと前記基本パルスとの間に付加され、前記基本パルスと同一極性で、前記基本パルスの振幅の75%以下の振幅を持つ第2補助パルスとを含むことを特徴とする触覚提示装置の駆動方法。
  9. 更に、前記基本パルスの立ち下がりに付加され、前記基本パルスと逆極性で、前記基本パルスの振幅の25%以上の振幅を持つ第3補助パルスを生成し、前記コイルに供給することを特徴とする請求項記載の触覚提示装置の駆動方法。
  10. 前記補助パルスの継続時間は20ms以上であることを特徴とする請求項8又は9記載の触覚提示装置の駆動方法。
  11. 前記第1補助パルスの継続時間と、前記第2の補助パルスの継続時間と、はそれぞれ10ms以上であることを特徴とする請求項記載の触覚提示装置の駆動方法。
  12. 前記第3補助パルスの継続時間は、20ms以上であることを特徴とする請求項記載の触覚提示装置の駆動方法。
  13. 触覚提示部と、
    マグネットと、
    前記マグネットと磁気的に作用して、前記触覚提示部を駆動させるコイルと、を有する触覚提示装置の駆動方法であって、
    前記触覚提示部の駆動の開始動作又は駆動の停止動作が強調されるように前記触覚提示部が駆動される駆動信号を生成し、前記コイルに供給し、
    前記駆動信号は、
    基本パルスと、
    前記基本パルスの立ち上がりに付加される補助パルスとを含み、
    前記補助パルスは、
    前記基本パルスと同一極性である、前記基本パルスより大きな第1補助パルスと、
    前記第1補助パルスと前記基本パルスとの間に付加され、前記基本パルスと同一極性である、前記基本パルスより小さな第2補助パルスとを含むことを特徴とする触覚提示装置の駆動方法。
  14. 更に、前記基本パルスの立ち下がりに付加され、前記基本パルスと逆極性である第3補助パルスを生成し、前記コイルに供給することを特徴とする請求項13記載の触覚提示装置の駆動方法。
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