JP5910100B2 - 触力覚呈示装置 - Google Patents

Description

本発明は、触力覚呈示装置に関するものである。

従来から振動モーター、圧電素子や形状記憶合金などを振動源とした刺激素子にて、皮下組織の受容器を刺激することにより、触力覚情報を呈示する装置が知られている。

触力覚呈示装置とは、特に視覚障害者支援、医療、コンピューターインターフェイス、バーチャルリアリティー、アミューズメント、教育、設計支援の分野において使用者の皮膚を刺激して使用者に触力覚情報を呈示する装置である。

皮膚に刺激（振動）が加わると、皮下組織の数種類の受容器が刺激される。受容器には、１００Ｈｚ以下の振動を知覚し順応が速く受容野が狭いマイスナー小体、１００〜３００Ｈｚ程度の振動を知覚し順応が速く受容野が広いパチニ小体、受容野が狭く圧力に反応するメルケル触盤、圧力や伸びに反応するルフィニ終末などがある。パチニ小体は、２００Ｈｚ程度の振動に最も敏感に反応し、マイスナー小体は、３０Ｈｚ程度の振動に最も敏感に反応するとされている。これらの受容器を的確に刺激することで様々な触力覚が呈示できる。

触力覚を呈示する装置として、動作部に形成された磁界発生手段とコイル群とからなり、磁界発生手段により発生する磁束（Ｚ軸方向とする）を横切るようにコイルが配置され（Ｘ−Ｙ平面上）、コイルに電流を流すことでフレミングの左手の法則によりコイルに力が働く。その結果、コイル群に接続された受感部は、Ｘ−Ｙ平面を移動し、受感部に載置された指先にＸ−Ｙ方向の力を与える装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−３３０６８８号公報

しかしながら、通常ヒトは触対象物の触感を知ろうとする場合、指先で触れて触察運動（なぞる）を行う。この際、指先は触対象物の形状等によりＺ軸方向に押し込まれ、触察運動を行うことで、せん断応力を受けてＸ−Ｙ−Ｚ方向に変形する。すなわち、正確な触力覚を呈示するには、指先に対してＸＹＺ方向に力を与える必要がある。特許文献１では、Ｘ−Ｙ方向の力しか与えることができず、リアルな触力覚を呈示できない虞がある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る触力覚呈示装置は、磁界発生手段と、前記磁界発生手段に垂直に設けられた複数の強磁性体からなるピンと、前記強磁性体からなるピンに通る各ボビン巻きコイルと、前記ボビン巻きコイルに独立に通電することができる電源と、前記電源の駆動を制御する制御部と、複数の前記ボビン巻きコイルに固着され、前記磁界発生手段上で３軸方向に移動可能に支持された受感部と、を備えることを特徴とする。

本適用例によれば、受感部を３軸方向に移動させることが可能なため、指先に３軸方向の力を印加することができ、これによって、より複雑な触力覚を呈示することができる。

触力覚呈示装置では、指先が載置された受感部が、３軸方向に移動するので、触感の鋭い指先が上記受感部に誘導され、触力覚が与えられる。したがって、指先の持つ高い感度の触感を有効に利用して、受感部の動きが小さくとも、豊かな触感、力感が与えられる。このとき、指先は受感部との間の摩擦力で誘導されるので、使用者は触感を感じたくないと考えたときには、受感部から指をはなせば容易に誘導から解放されるために、無理に指を動かされつづけるといった危険がなく、また誤作動が発生したときも安全である。

［適用例２］上記適用例に記載の触力覚呈示装置において、前記強磁性体からなるピンの直径と前記ボビン巻きコイルのボビン内径との差が０．１ｍｍ以上であることを特徴とする。

本適用例によれば、受感部をＸ−Ｙ方向に移動させる場合、強磁性体ピンとボビン内面がすぐに接触し、触力覚呈示に必要な変位と力を指先に印加することができなかったり、変位を稼ぐために強磁性体ピン間を広くしたりする必要がない。これによって、触力覚呈示装置が巨大化してしまうことを回避できることが可能となる。

［適用例３］上記適用例に記載の触力覚呈示装置において、前記強磁性体からなるピンの上部がリターンヨークによって固着されていることを特徴とする。

本適用例によれば、強磁性体ピンの上部にリターンヨークが接続されるため、基部内の磁束が安定化させられる。これによって、受感部の動作をスムーズにすることが可能となる。

本実施形態に係る触力覚呈示装置を示す平面図。 図１に示す触力覚呈示装置のＡ−Ａ´線に沿う模式断面図。 本実施形態に係る触力覚呈示装置を示す構成図。 本実施形態に係る受感部をＺ軸方向のみに移動させる場合を示す断面図。 本実施形態に係る受感部をＸ軸方向に移動させる場合を示す断面図。 本実施形態に係る受感部をＸ軸方向に変位させつつ、Ｚ軸方向にも変位させた場合を示す断面図。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。なお、使用する図面は、説明する部分が認識可能な状態となるように、適宜拡大又は縮小して表示している。

図１は、本実施形態に係る触力覚呈示装置を示す平面図である。
なお、ボビン３６，３８，４０，４２と受感部１０との位置関係を示すため、基部２２（図２参照）は省略されている。また、以下では、説明の便宜上、図１に示すように互いに直交する３軸を、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸とし、非駆動状態の受感部１０の面と、Ｘ軸及びＹ軸で形成される面とが一致し（平行であり）、受感部１０の厚さ方向とＺ軸とが一致する。さらに、Ｘ軸に平行な方向を「Ｘ軸方向」と言い、Ｙ軸に平行な方向を「Ｙ軸方向」と言い、Ｚ軸方向に平行な方向を「Ｚ軸方向」と言う。

本実施形態に係る触力覚呈示装置２は、受感部１０、ボビン３６，３８，４０，４２、リターンヨーク１６、及び強磁性体ピン４４，４６，４８，５０を備える。

受感部１０の材質は触察運動により変形しない程度の強度をもつ材料であれば樹脂、セラミックス、金属等なんでもよく本実施形態ではデルリンとした。形状は立方体に限らず、円錐、半球、台形台等でもよい。受感部１０は、例えば、縦５×横５×高さ１．７ｍｍの立方体である。

ボビン３６，３８，４０，４２の材質は非磁性であればよく、デルリンなどの樹脂やオーステナイト系ステンレス鋼などである。ボビン３６，３８，４０，４２の内径（ｄ２）は強磁性体ピン４４，４６，４８，５０の直径（ｄ１）よりも０．１ｍｍ以上大きくする必要がある（ｄ２−ｄ１＞０．１）。０．１ｍｍより小さいと、受感部１０をＸ−Ｙ方向に移動させる場合、強磁性体ピン４４，４６，４８，５０とボビン３６，３８，４０，４２内面がすぐに接触し、触力覚呈示に必要な変位と力を指先に印加することができなかったり、変位を稼ぐために強磁性体ピン４４，４６，４８，５０間が広くなったりし、その結果触力覚呈示装置が巨大化してしまう。ボビンは、例えば、縦３．５×横３．５×高さ３．５ｍｍの立方体で、内径φ１．０である。

強磁性体ピン４４，４６，４８，５０は、例えば、長さ５ｍｍで外径φ０．７である。強磁性体ピン４４，４８及び強磁性体ピン４６，５０のそれぞれの間隔は、例えば、７．４ｍｍである。強磁性体ピン４４，４６，４８，５０の上部には、基部２２内の磁束を安定化させるためにリターンヨーク１６が接続されている。
以上は樹脂等からなる基部２２に収められており、基部２２の上方は受感部１０が動作できるように開口してある。基部２２は、例えば、縦１５×横１５×高さ９．０ｍｍの立方体である。

図２は、図１に示す触力覚呈示装置２のＡ−Ａ´線に沿う模式断面図である。触力覚呈示装置２は、図２に示すように、磁界発生手段として基部２２上に固定配置された４つの磁石２６を備えている。磁石２６は、例えばフェライト磁石、ネオジム系磁石、サマリウムコバルト系磁石、また電磁石でもよい。磁石２６は、受感部１０の中央部を原点として便宜的にＸＹ直交座標系と考えると、第一象限と第二象限と第三象限と第四象限とを跨ぐ位置に配置されている。磁石２６による磁界の方向は、基部２２の表面に対して垂直方向に発生しており、磁石２６は、上部がＳ極、下部がＮ極に分極している。上記磁石２６は、基部２２の上に固定されており、その上に受感部１０が移動可能に支持されている。受感部１０には４つのボビン巻きコイル２８，３０，３２，３４が固着されており、ボビン巻きコイル３２は第一象限と第四象限とを跨ぐ位置に配置固定されている。同様にボビン巻きコイル２８は、第二象限と第三象限とを跨ぐ位置に配置固定されている。これに対し、ボビン巻きコイル３４は、第一象限と第二象限とを跨ぐ位置に配置固定されている。同様にボビン巻きコイル３０は、第三象限と第四象限とを跨ぐ位置に配置固定されている。ボビン巻きコイル２８，３０，３２，３４は、右手の法則（右ねじの法則）に基づいて作動する。このため、ボビン巻きコイル２８に磁石２６側から見て時計回りの電流を流すと、ボビン巻きコイル２８は＋Ｚ軸方向に推力を発生する。電流の向きを変更すれば推力の方向は変化でき、電流値を可変とすることでその推力も変化させることができる。ボビン巻きコイル２８と同様に、Ｚ軸方向に推力を発生させるボビン巻きコイル３２は、ボビン巻きコイル２８と同方向に推力を発生させるためには時計方向に電流を流せばよい。したがって、ボビン巻きコイル２８とボビン巻きコイル３２とは同一方向に推力を発生するように電流を印加することができる。その方法としては、ボビン巻きコイル２８，３２を個々に結線し、各々に所定の方向に電流を印加する方法が実装上最も容易である。また、ボビン巻きコイル３０，３４についても同様の作用でＺ軸方向の推力を発生させることができる。触力覚呈示装置２は、ボビン巻きコイル２８，３０，３２，３４に駆動電源から独立して制御された種々の電流を供給し、受感部１０の動作パターンや、動作タイミング、変位等により様々な情報を使用者に認識させることができる。

磁石２６の上面（図２ではＳ極側）に対して垂直に強磁性体（鉄、コバルト、ニッケル、硬鋼などの合金）からなるピンが複数設置されている。本実施形態では４つの強磁性体ピン４４，４６，４８，５０が設けられている。この強磁性体ピン４４，４６，４８，５０を通すようにボビン巻きコイル２８，３０，３２，３４があり、ボビン巻きコイル２８，３０，３２，３４に接続された受感部１０がある。

ボビン巻きコイル２８，３０，３２，３４のコイルの線径、巻き数は入力する電流の許容値によって調整することができる。本実施形態ではコイルの線径をφ０．１、巻き数を５０ターンとした。

受感部１０とボビン巻きコイル２８，３０，３２，３４の接続部はボビン巻きコイル２８，３０，３２，３４上面と受感部１０下面に限らず、側面同士でもよい。本実施形態ではボビン３６，３８，４０，４２と受感部１０とを一体形成した。

図３は、本実施形態に係る触力覚呈示装置２を示す構成図である。触力覚呈示装置２は、電源部５２，５４，５６，５８及び制御部１４をさらに備える。電源部５２，５４，５６，５８は、ボビン巻きコイル２８，３０，３２，３４に独立して通電する。本実施形態では電源部５２がボビン巻きコイル２８に、電源部５４がボビン巻きコイル３０に、電源部５６がボビン巻きコイル３２に、電源部５８がボビン巻きコイル３４に通電する。制御部１４は、電源部５２，５４，５６，５８からボビン巻きコイル２８，３０，３２，３４へのそれぞれの通電量を制御する。

図４は、本実施形態に係る受感部１０をＺ軸方向のみに移動させる場合を示す断面図である。図４の上側の図は、ボビン巻きコイル２８，３０，３２，３４が磁石２６上に載置されている状態を示す図であり、図４の下側の図は、ボビン巻きコイル２８，３０，３２，３４が磁石２６上で磁気浮上している状態を示す図である。

受感部１０をＺ軸方向のみに移動させる場合、ボビン巻きコイル２８，３０，３２，３４すべてに右手の法則に従い、磁石２６の磁界に反発する方向に電流を流すように電源部５２，５４，５６，５８からそれぞれ通電することで、すべてのボビン巻きコイル２８，３０，３２，３４及び受感部１０を磁気浮上させる。磁気浮上させた受感部１０を下降させるには、各電源部５２，５４，５６，５８の通電を停止するか、すべてのボビン巻きコイル２８，３０，３２，３４が磁石２６と引き合うように電源部５２，５４，５６，５８からそれぞれ通電する。これらを繰り返すことで、Ｚ軸方向に受感部１０を振動させることができ、指先を刺激することができる。駆動波形はパルス波形が好ましいが、これに限らず、台形波形等でもよい。

例えば、ボビン巻きコイル２８，３０，３２，３４が磁石２６上に載置されている状態は、電源部５２，５４，５６，５８からボビン巻きコイル２８，３０，３２，３４への通電がない。又はボビン巻きコイル２８，３０，３２，３４下部にＮ極を誘起する方向に電流を流すように電源部５２，５４，５６，５８からそれぞれ通電されている。

ボビン巻きコイル２８，３０，３２，３４が磁石２６上で磁気浮上している状態は、ボビン巻きコイル２８，３０，３２，３４下部にＳ極を誘起する方向に電流を流すように電源部５２，５４，５６，５８からそれぞれ通電されている。電流を流す方向はコイルの巻き方に対して右ねじの法則に従う。

ボビン巻きコイル２８，３０，３２，３４が磁石２６上に載置されている状態と、ボビン巻きコイル２８，３０，３２，３４が磁石２６上で磁気浮上している状態とを繰り返すことで受感部１０を上下に振動させ、指先にＺ軸方向の力を加えることができる。

図５は、本実施形態に係る受感部１０をＸ軸方向に移動させる場合を示す断面図である。
次に受感部をＸ軸方向に移動させる場合を説明する。図５において、ボビン巻きコイル２８に磁石２６と反発する方向に電流を流すように電源部５２から通電する。ボビン巻きコイル３２には、磁石２６と引き合うように電源部５６から通電してもよいし、通電しなくてもよい。すると、ボビン巻きコイル２８が磁気浮上し、強磁性体ピン４４とボビン３６内径とのギャップが許す限り受感部１０はＸ軸方向に傾く。これにより指先にＸ軸方向（せん断方向）の変位と力を印加することができる。ボビン巻きコイル２８への電源部５２からの通電を停止もしくは磁石と引き合うように電源部５２から通電することで、ボビン巻きコイル２８を下降させる。これらを繰り返すことで、Ｘ軸方向に受感部１０を振動させることができる。より大きく受感部１０をＸ軸方向に振動させるためには、ボビン巻きコイル２８への電源部５２からの通電を停止する（磁石と引き合うように電源部５２から通電する）と同時にボビン巻きコイル３２に磁石２６と反発するように電源部５６から通電することで受感部１０は−Ｘ方向に傾かせることができ、Ｘ軸方向の振幅を大きくすることができる。

例えば、左側のボビン巻きコイル２８が磁石２６上で磁気浮上している状態は、左側のボビン巻きコイル２８下部にＳ極を誘起する方向に電流を流すように電源部５２から通電されている。右側のボビン巻きコイル３２が磁石２６上に載置されている状態は、電源部５６から右側のボビン巻きコイル３２への通電がない。又は左側のボビン巻きコイル２８下部にＮ極を誘起する方向に電流を流すように電源部５２から通電されている。

ボビン巻きコイル３２が磁石２６上に載置されている状態−左側のボビン巻きコイル２８が磁石２６上で磁気浮上している状態／右側のボビン巻きコイル３２が磁石２６上に載置されている状態を繰り返すことで受感部１０をＸ軸方向に振動させることができ、指先にＸ軸方向の力を加えることができる。

図６は、本実施形態に係る受感部１０をＸ軸方向に変位させつつ、Ｚ軸方向にも変位させた場合を示す断面図である。また、受感部１０をＸ軸方向に変位させつつ、Ｚ軸方向にも変位させたい場合、図６に示すように、下側（右側）になるボビン巻きコイル３２にも通電し、下側のボビン巻きコイル３２も磁気浮上させればよい（この場合上側（左側）のボビン巻きコイル２８の通電量は、下側のボビン巻きコイル３２の通電量より大きい。）。

例えば、左側のボビン巻きコイル２８が磁石２６上で磁気浮上している状態は、左側のボビン巻きコイル２８下部にＳ極を誘起する方向に電流を流すように電源部５２から通電されている。右側のボビン巻きコイル３２が磁石２６上で磁気浮上している状態は、右側のボビン巻きコイル３２下部にＳ極を誘起する方向に電流を流すように電源部５６から通電されている。

このとき、左側のボビン巻きコイル２８の電流量を右側のボビン巻きコイル３２の電流量より大きくすることでＺ軸方向に大きく変位させながらＸ軸方向にも変位させることができる。ボビン巻きコイル２８，３２が磁石２６上に載置されている状態と、左側のボビン巻きコイル２８が磁石２６上で磁気浮上している状態及び右側のボビン巻きコイル３２が磁石２６上で左側のボビン巻きコイル２８より低く磁気浮上している状態を繰り返すことで受感部１０をＸ、Ｚ軸方向に振動させることができ、指先にＸ、Ｚ軸方向の力を加えることができる。

なお、Ｙ軸方向は同様にボビン巻きコイル３０とボビン巻きコイル３４への通電を制御すればよい。

以上により、ボビン巻きコイル２８，３０，３２，３４への通電波形を制御することで受感部１０を３軸方向に移動させることができる。これにより、指先に圧縮方向、せん断方向の変位と力を印加することで複雑な触力覚を呈示することができるようになる。

以上説明したように、本実施形態の触力覚呈示装置２では、手や指に対しその移動方向を誘導し、同時に触覚情報を手の代表的な受容器官である指先等に呈示することができる。したがって、能動的に指を移動するだけの従来技術に比べて本実施形態は指を載置することで受動的に情報を獲得することができるという効果がある。そして、指先という敏感な箇所に触覚を与えるため、小さな動きであるにもかかわらず、使用者に豊かな触感を感じさせることができ、一方で小さな動きで済むために高い周波数の振動でも受感部１０を変位させることができ、多彩な表現が可能となる。

また、磁界発生手段２６とボビン巻きコイル２８，３０，３２，３４とを組み合わせて、受感部１０の駆動機構とすることで、従来の回転型モーターとアーム型の伝達機構ではサイズ的に達成不可能であった、小型、薄型の触力覚呈示装置２を実現することができ、指先に対して触覚の呈示が可能になる。このことによって、従来用いている入力装置のボタンやスイッチ類に新機能として本実施形態に係る触力覚呈示装置２を追加することも可能になり、その結果、従来にはなかった双方向性という新しい効用を持つ情報入出力装置が可能になる。

また、本実施形態の触力覚呈示装置２では、指先等が載置される比較的小さな面積の触力覚呈示装置２を用いながら、画像ディスプレイに表示した広範囲の面積の表示情報に対して三次元的な触覚刺激を呈示することが可能になる。そして、凹凸感や粗滑感に相当する触覚情報を、指先を三次元的に自在に変位させることで、指先への反力刺激として与えることができる。このため、従来のような単純な振動だけでなく、ゆっくりした変位のなぞり運動と高周波の振動を組み合わせることにより、各種の触覚情報をより正確に再現することができる。

また、触力覚呈示装置２と入力手段とを同じ受感操作部に設けることにより、使用者は指を置き替えることなく双方向の動作を行うことが可能になる。また通信手段を接続することにより、遠隔地から送信されてくる情報に基づいて触覚による触力覚呈示装置２を動作させることができ、離れた場所にいる者の間で触覚情報を伝達することも可能となる。

２…触力覚呈示装置 １０…受感部 １４…制御部 １６…リターンヨーク ２２…基部 ２６…磁石（磁界発生手段） ２８，３０，３２，３４…ボビン巻きコイル ３６，３８，４０，４２…ボビン ４４，４６，４８，５０…強磁性体ピン ５２，５４，５６，５８…電源部。

Claims (2)

1. 磁界発生手段と、
   前記磁界発生手段に、一端が配置され、かつ強磁性体からなるピンと、
   前記ピンに通るボビン巻きコイルと、
   前記ボビン巻きコイルに通電することができる電源と、
   前記電源の駆動を制御する制御部と、
   前記ボビン巻きコイルに固着され、前記磁界発生手段上で３軸方向に移動可能に支持された受感部と、
   前記ピンの他端が固着され、かつ前記磁界発生手段に接続されたリターンヨークと、
   を備えることを特徴とする触力覚呈示装置。
2. 請求項１に記載の触力覚呈示装置において、
   前記強磁性体からなるピンの直径と前記ボビン巻きコイルのボビン内径との差が０．１ｍｍ以上であることを特徴とする触力覚呈示装置。

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