JP5302313B2 - 摩擦力を動的に変化させる抵抗アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明の一実施形態は触覚フィードバックを対象とする。より詳細には、本発明の一実施形態は触覚フィードバックを有する回転ノブを対象とする。

電子デバイス製造業者は、ユーザのための優れたインターフェースを作り出そうと懸命に努力している。従来のデバイスは、視覚的及び聴覚的なキュー(cue)を用いて、ユーザへのフィードバックを提供する。インターフェースデバイスの中には、運動感覚フィードバック（作用力及び抵抗力フィードバックなど）及び／又は触知フィードバック（振動、感覚(texture)及び熱など）をユーザに与えるものもある。一般的に、それらのフィードバックはまとめて「触覚フィードバック」又は「触覚効果」として知られている。触覚フィードバックは、ユーザインターフェースをさらに良くし、且つ簡単にするキューを提供することができる。

触覚フィードバックは、自由度のあるユーザインターフェースを作り出すために、回転ノブ、並びに機械スイッチ及びエンコーダのような他のタイプの電気機械デバイスにおいて実施されてきた。移動止め(detent)、障害(barrier)及び振動を含む多種多様の利用可能な触覚フィードバックが、ユーザに、使用性、設計及びコストに関する利益をもたらす。

一般的に、触覚フィードバックは、モータを利用したアクチュエータシステム又は制動を利用したアクチュエータシステムを備える回転ノブにおいて生成される。モータを利用したアクチュエータシステムは、ユーザの動きに逆らう力、又はユーザの動きを補強する力を加える。しかしながら、モータは常にシステムにエネルギーを加えるので、システムが不安定になる可能性がある。さらに、モータを利用したアクチュエータシステムは、必要とされる量のトルクを生成するのに、比較的大きく、且つコストがかかるモータを必要とする。

対照的に、制動を利用したアクチュエータシステムは、エネルギーを散逸し、摩擦を通してユーザの動きに抵抗する制動アクチュエータを用いる。制動を利用したアクチュエータシステムは、一般的に、モータを利用したアクチュエータシステムよりも小さく、且つ安価であり、システムからエネルギーを奪うので、不安定にならない。

制動アクチュエータシステムを備える既知の回転ノブが抱える１つの問題は、２つの金属製の硬質デバイス間に磁気的な空隙が保持されなければならないことである。この空隙は典型的には厳しい精度条件内で保持されなければならないので、デバイスを製造するのにコストがかかり、且つ製造するのが難しくなる。さらに、制動アクチュエータを備える既知の回転ノブは典型的には１つのレベルの摩擦制動しか含まない。しかしながら、或る所望の触覚フィードバックは、複数のレベルの摩擦力を含む場合にさらに効果的である。

上記の事柄に基づいて、改良された摩擦制動アクチュエータシステムが必要とされている。

一実施形態は、回転ノブにおいて触覚効果を生じさせるためのシステムである。そのシステムは電気コイル及び磁心を備える。第１のレベルの電圧をコイルに印加して、第１の摩擦係数を有する第１の接触面(surface interface)を使用可能にし、その電圧を変化させることによって、第１の触覚効果を生じさせる。第２のレベルの電圧をコイルに印加して、第１の摩擦係数よりも大きな第２の摩擦係数を有する第２の接触面を使用可能にし、その電圧を変化させることによって、第２の触覚効果を生じさせる。

一実施形態による回転ノブの斜視図である。 一実施形態による回転ノブの一部を切り取った斜視図である。 触覚効果を生じさせるときの一実施形態によるコントローラの機能のフロー図である。 別の実施形態による回転ノブの一部を切り取った斜視図である。 別の実施形態による回転ノブの一部を切り取った斜視図である。

一実施形態は、接触面を変更することによって摩擦力を動的に変化させる抵抗アクチュエータを有する回転ノブである。

図１は、一実施形態による回転ノブ１０の斜視図である。回転ノブ１０は、ベース１４と、回転シャフト１２と、触覚コントローラ１６とを備える。回転シャフト１２は、ユーザが回転させることができるノブ又は他のデバイスに結合される場合がある。コントローラ１６は、プロセッサと、プロセッサによって実行される命令を格納するメモリとを備える場合がある。コントローラ１６は、ユーザが回転シャフト１２を回転させるときに適用される触覚効果を生じさせる。コントローラ１６は、図１に示されるようにベース１４の外部に配置される場合があるか、又はベース１４の内部に配置される場合がある。

図２は、一実施形態による回転ノブ１０の一部を切り取った斜視図である。ノブ１０はシャフト１２を備えており、シャフト１２は回転円板２６又は任意の他のタイプの回転要素に結合される。一実施形態において、円板２６は、磁力に引き寄せられ得るニッケルめっき鋼(nickel-plated steel)又は任意の材料から形成される。円板２６及びシャフト１２は、ユーザがシャフト１２を回転させるときに、軸Ａを中心にして回転する。

シャフト１２の周囲には、磁心(magnetic core)２４及び電磁コイル２０がある。電磁コイル２０は電源（図示せず）に結合され、電磁コイル２０に電気が加えられるときに、磁心２４が既知の態様で磁力を発生する。一実施形態では、電磁コイル２０は銅コイルから形成され、磁心２４は銅ボビンから形成される。しかしながら、コイル２０及び磁心２４は、電気が加わる際に磁力を発生させるようにする任意の他の材料から形成することができる。

ワッシャ３２又は他のタイプの分離要素が、ワッシャ３２の内周リングに沿った部分３３において、円板２６に結合される。ワッシャ３２の残りの部分は、円板２６の内面を一周して形成される溝３４にわたって延在する。ワッシャ３２は、その外周が溝３４内で前後に撓むのに応じてカンチレバー作用を通してばねとして機能することができるように可撓性である。一実施形態では、ワッシャ３２は青銅から形成されるが、許容レベルの摩擦及び可撓性を与える任意の材料から形成することができる。

摩擦リング１８又は他のタイプの摩擦要素が磁心２４に結合される。摩擦リング１８は接触面４２（「第１の接触面」）においてワッシャ３２と接触し、摩擦を通してシャフト１２の回転に制動作用を与える。第１のレベルの電気がコイル２０に印加されるとき、円板２６が磁心２４に磁気的に引き寄せられるのに応じて、摩擦リング１８と接触しているワッシャ３２にかかる垂直抗力が大きくなる。リング１８及びワッシャ３２の接触によって形成される摩擦量は、相対的に低い摩擦係数を与え、第１のレベルの電気を印加する際に使用可能にされる／制御される。一実施形態において、摩擦リング１８は、熱可塑性ポリマー、アセタール樹脂、又は所望の摩擦力及び耐摩耗性を与える任意の他の材料から形成される。

摩擦リング１８及びワッシャ３２の接触エリアにおいて摩擦を与えることに加えて、撓んでいない状態のワッシャ３２はさらに、円板２６と磁心２４との間に磁気回路空隙４０を与える。

第１のレベルの電気よりも高い第２のレベルの電気が磁心２０に加えられるとき、磁心２４と円板２６との間の磁気引力がさらに増す。これにより、ワッシャ３２は溝３４の中に撓み、それにより最終的に、空隙４０が閉じて、円板２６が磁心２４と接触できるようになる（「第２の接触面」）。一実施形態においていずれも金属表面である円板２６及び磁心２４の接触面における摩擦係数は、摩擦リング１８及びワッシャ３２の接触面における摩擦係数よりもはるかに高い。

動作時に、第１又は第２のレベルの摩擦を使用し、各レベル内で摩擦量が変化できるように電圧レベルを変更して、触覚効果を生じさせることができる。たとえば、移動止めのような触覚効果は、空隙４０を保持しながら、摩擦リング１８及びワッシャ３２の第１の接触面を通して生じさせることができる。空隙４０のために、磁心２４に印加される電圧の大きな変化が、トルクの小さな変化を引き起こすことになり、それは移動止め効果にとって理想的である。空隙４０を保持する範囲内で電圧レベルを変化させることによって、複雑な触覚効果を生じさせることができる。

磁心２４に印加される電圧量を大きく増加させるとき、空隙４０が閉じて、円板２６が磁心２４と接触し、それにより、大きく増加した第２のレベルの摩擦が生成される。このように摩擦量が大きくなると、障害物効果のような「強い」抵抗触覚効果を作り出すのに有用である。さらに、この第２の接触面の摩擦係数が高いほど、低い磁力で高いトルクを発生できるようになり、好都合である。電圧量が下げられるか、又は電圧が除去されるとき、ワッシャ３２のばね作用によって、円板２６及び磁心２４が分離し、再び空隙４０が形成される。さらに、第２の接触面が使用可能にされる時間中に、第１の接触面が使用可能にされる場合もある（すなわち、円板２６及び磁心２４が結合され、摩擦リング１８及びワッシャ３２が結合される）。しかしながら、第２の接触面は、第１の接触面よりもはるかに高い摩擦係数を有するので、第２の接触面が摩擦量を概ね決定するであろう。

一実施形態では、高レベルパラメータに基づいて、コントローラ１６が、どの触覚効果が実施されることになるか、そしてそれらの効果が実施される順序を決定する。一般的に、特定の触覚効果を規定する高レベルパラメータは、強度、周波数及び持続時間である。特定の触覚効果は、第１の接触面、第２の接触面、又は両方の接触面の任意の組み合わせによって発生する摩擦を伴う場合がある。図３は、触覚効果を生じさせるときの一実施形態によるコントローラ１２の機能のフロー図である。図３の機能は、ハードウエア又はソフトウエアによって、或いはハードウエア又はソフトウエアの任意の組み合わせによって実施することができる。

１０２では、触覚効果を生じさせるために必要とされる摩擦のレベルが決定される。必要とされるレベルは通常、具体的な触覚効果に基づく。たとえば、移動止め効果は、相対的に低いレベルの摩擦を必要とし、一方、障害物効果は、相対的に高いレベルの摩擦を必要とする。

相対的に低いレベルの摩擦が必要とされる場合には、１０６において、空隙４０を保持しながら、第１の接触面（すなわち、ワッシャ３４及び摩擦リング１８）を使用可能にする電圧量がコイル２０に印加される。相対的に高いレベルの摩擦が必要とされる場合には、１０８において、第２の接触面（すなわち、円板２６及び磁心２４）を使用可能にし、且つ空隙４０を閉じる電圧量がコイル２０に印加される。第２の接触面が使用可能である間に、第１の接触面を使用可能にすることもできる。

図４は、別の実施形態による回転ノブ５０の一部を切り取った斜視図である。回転ノブ５０において、円板５６は溝を含まない。代わりに、摩擦リング１８がワッシャ３２と接触して第１の接触面を形成する場所の反対側において、ばね５２が摩擦リング１８に結合される。一実施形態では、ばね５２は青銅ワッシャである。ばね５２はさらにコイル２０に結合され、カンチレバーばね作用を生み出す。コイル２０に印加される電圧が十分なレベルを超えるとき、ばね５２は、磁心２４の表面５４に向かって撓み、空隙４０が閉じる。円板５６及び磁心２４の接触面は第２の接触面である。その他の点では、回転ノブ５０は、ノブ１０と同じように動作する。

図５は、別の実施形態による回転ノブ７０の一部を切り取った斜視図である。図５の実施形態において、カンチレバー構成を成すばね延長部７５によって、摩擦要素７６がコイル７４に結合される。コイル７４に第１のレベルの電圧が印加されるときに、摩擦要素７６がワッシャ３２と接触し、それにより第１の接触面を使用可能にする。コイル７４に印加される電圧が十分なレベルを超えるとき、摩擦要素７６が磁心２４に向かって撓み、空隙４０が閉じる。円板５６及び磁心２４の接触面は第２の接触面である。その他の点では、回転ノブ７０は、ノブ１０と同じように動作する。

開示されたように、明らかに異なる２つの摩擦係数を作り出す少なくとも２つの接触面を使用することを通して、実施形態が変更され、且つさらに効率的な触覚効果を可能にする。

本明細書において、いくつかの実施形態が具体的に例示され、且つ／又は説明される。しかしながら、本発明の精神及び意図した範囲から逸脱することなく、本発明の変更及び変形が上記の教示によって包含され、添付の特許請求の範囲内に含まれることは理解されよう。

たとえば、回転ノブが開示されているが、本発明は、たとえば、ジョイスティック、回転スクロールホイール又はスライダを含む、抵抗触覚効果を実現する任意のデバイスにおいて用いることができる。

Claims (23)

1. 抵抗触覚アクチュエータであって、
   電気コイルと、
   前記電気コイルに結合される磁心と、
   前記コイルに第１のレベルの電圧を印加する際に使用可能にされる、第１の摩擦係数を有する第１の接触面であって、該第１の接触面は、第１の要素と第２の要素との間の第１の接触を含む、第１の接触面と、
   前記コイルに第２のレベルの電圧を印加する際に使用可能にされる、第２の摩擦係数を有する第２の接触面であって、該第２の接触面は、第３の要素と第４の要素との間の第２の接触を含む、第２の接触面と、
   を備え、
   前記第１のレベルの電圧が印加されている際に、前記第３の要素と前記第４の要素との間には空隙が存在する、抵抗触覚アクチュエータ。
   
2. 摩擦要素と、
   前記摩擦要素に結合されるばねとをさらに備える、請求項１に記載の抵抗触覚アクチュエータ。
   
3. 前記第１の接触は前記摩擦要素とワッシャとの間の接触を含む、請求項２に記載の抵抗触覚アクチュエータ。
   
4. シャフトと、
   前記シャフトに結合される回転要素とをさらに備え、
   前記第２の接触は、前記磁心と接触する前記回転要素を含む、請求項３に記載の抵抗触覚アクチュエータ。
   
5. 前記回転要素と前記磁心との間に結合され、前記コイルに電圧が印加されない場合に、前記回転要素と前記磁心との間に前記空隙を作り出す分離要素をさらに備える、請求項４に記載の抵抗触覚アクチュエータ。
   
6. 前記分離要素は前記ワッシャからなる、請求項５に記載の抵抗触覚アクチュエータ。
   
7. 前記分離要素は前記ばねからなる、請求項５に記載の抵抗触覚アクチュエータ。
   
8. 前記第１のレベルの電圧及び前記第２のレベルの電圧を制御して触覚効果を実現する触覚コントローラをさらに備える、請求項１に記載の抵抗触覚アクチュエータ。
   
9. 前記摩擦要素は前記コイルに結合される、請求項２に記載の抵抗触覚アクチュエータ。
   
10. 抵抗触覚アクチュエータに触覚効果を生じさせる方法であって、該方法は、
    第１のレベルの電圧を印加することによって第１の摩擦係数を有する第１の接触面を使用可能にし、第１の触覚効果を生じさせるステップであって、該第１の接触面は、第１の要素と第２の要素との間の第１の接触領域を含む、第１の触覚効果を生じさせるステップ、及び
    第２のレベルの電圧を印加することによって第２の摩擦係数を有する第２の接触面を使用可能にし、第２の触覚効果を生じさせるステップであって、該第２の接触面は、第３の要素と第４の要素との間の第２の接触領域を含む、第２の触覚効果を生じさせるステップ
    を含み、
    前記第１のレベルの電圧が印加されている際に、前記第３の要素と前記第４の要素との間には空隙が存在する、抵抗触覚アクチュエータに触覚効果を生じさせる方法。
    
11. 前記第１の接触領域は表面に当接する摩擦要素を含む、請求項１０に記載の方法。
    
12. 前記第２の接触領域は、シャフトに結合される回転要素に当接する磁心を含む、請求項１０に記載の方法。
    
13. 前記摩擦要素はばねに結合される、請求項１１に記載の方法。
    
14. 前記第１の触覚効果及び前記第２の触覚効果は回転シャフト上で生じる、請求項１０に記載の方法。
    
15. 前記シャフトは回転要素に結合され、磁気コイル及び磁心によって包囲される、請求項１４に記載の方法。
    
16. 前記第１のレベルの電圧を印加しながら、前記回転要素と前記磁心との間の前記空隙を保持するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
    
17. 前記第２のレベルの電圧を印加しながら、前記空隙を除去するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
    
18. 抵抗触覚アクチュエータに触覚効果を生じさせるシステムであって、該システムは、
    第１のレベルの電圧を印加することによって第１の摩擦係数を有する第１の接触面を使用可能にし、第１の触覚効果を生じさせる手段であって、該第１の接触面は、第１の要素と第２の要素との間の第１の接触を含む、第１の触覚効果を生じさせる手段、及び
    第２のレベルの電圧を印加することによって第２の摩擦係数を有する第２の接触面を使用可能にし、第２の触覚効果を生じさせる手段であって、該第２の接触面は、第３の要素と第４の要素との間の第２の接触を含む、第２の触覚効果を生じさせる手段
    を含み、
    前記第１のレベルの電圧が印加されている際に、前記第３の要素と前記第４の要素との間には空隙が存在する、抵抗触覚アクチュエータに触覚効果を生じさせるシステム。
    
19. プロセッサによって実行されるときに、
    第１のレベルの電圧を印加して第１の摩擦係数を有する第１の接触面を使用可能にし、第１の触覚効果を生じさせることであって、該第１の接触面は、第１の要素と第２の要素との間の第１の接触を含む、第１の触覚効果を生じさせること、及び
    第２のレベルの電圧を印加して第２の摩擦係数を有する第２の接触面を使用可能にし、第２の触覚効果を生じさせることであって、該第２の接触面は、第３の要素と第４の要素との間の第２の接触を含み、且つ、前記第１のレベルの電圧が印加されている際に、前記第３の要素と前記第４の要素との間には空隙が存在する、第２の触覚効果を生じさせることによって、該プロセッサが抵抗触覚アクチュエータに触覚効果を生じさせる命令を格納するコンピュータが読み取り可能な媒体。
    
20. 前記第２の摩擦係数は、前記第１の摩擦係数よりも大きい、請求項１に記載のアクチュエータ。
    
21. 前記第２の摩擦係数は、前記第１の摩擦係数よりも大きい、請求項１０に記載の方法。
    
22. 抵抗触覚アクチュエータに触覚効果を生じさせる方法であって、該方法は、
    第１の電圧量を印加することによって第１の摩擦係数を有する第１の接触面を実現し、空隙を保持するステップであって、該第１の接触面は、第１の要素と第２の要素との間の第１の接触を含む、空隙を保持するステップ、及び
    第２の電圧量を印加することによって第２の摩擦係数を有する第２の接触面を実現し、前記空隙を閉じるステップであって、該第２の接触面は、第３の要素と第４の要素との間の第２の接触を含む、前記空隙を閉じるステップ
    を含み、
    前記第１の電圧量が印加されている際に、前記第３の要素と前記第４の要素との間には前記空隙が存在する、抵抗触覚アクチュエータに触覚効果を生じさせる方法。
    
23. 前記第１の電圧量は前記第２の電圧量よりも小さい、請求項２２に記載の方法。

Images