JP6593761B2 - 入出力操作装置 - Google Patents

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Description

本願は入出力操作装置に関する。
近年、種々の分野において、機器を制御する操作者の操作性を高めるため、操作に応じた触覚を与える入出力操作装置が開発されている。ここで入力とは、操作者が機器を制御するための指示を意味し、出力とは、操作者に呈示する触覚を意味する。操作者に呈示する触覚はハプティックスとも呼ばれる。例えば、特許文献１は、小型かつ安価なレバーハンドルを備えた操作フィーリング付与機能付きのハプティック入力装置を開示している。
特開２００３−１４０７５７号公報
従来の入力装置には、より自然な触覚が求められていた。本願の限定的ではない例示的な実施形態は、操作性の高い入出力操作装置を提供する。
本開示の入出力操作装置は、操作者が操作する操作部と、前記操作部の位置を検出し、前記操作部の位置に対応する位置信号を生成する検出部と、前記位置信号を受け取り、速度制御信号を生成する制御回路と、前記速度制御信号を受け取り、前記操作部を駆動する駆動回路とを備え、前記制御回路は、（ａ）前記位置信号を第１のフィルタ回路に通し、速度信号を生成し、（ｂ）前記第１のフィルタ回路とは異なる周波数通過特性を有する第２のフィルタ回路に前記位置信号を通し、補正信号を生成し、（ｃ）少なくとも前記速度信号と前記補正信号とを加算し、前記速度制御信号を生成する。
本開示の入出力操作装置によれば、従来よりも優れた触覚を提示することが可能である。
図１は、第１の実施形態に係る入出力操作装置の構成例を示す。 図２Ａは、第１の実施形態に係る入出力操作装置の概略的な構成例を示す。 図２Ｂは、図２Ａに示す入出力装置の第１および第２のフィルタ回路の周波数特性を説明する模式図である。 図２Ｃは、第１の実施形態に係る入出力操作装置の詳細な構成例を示す。 図２Ｄは、第１の実施形態に係る入出力操作装置の具体的な構成例を示す。 図２Ｅは、図２Ｄに示す入出力操作装置における、位置信号Ｐｏ、補正位置信号Ｐｃおよび演算位置信号Ｐｍの一例を模式的に示している。 図２Ｆは、第１の実施形態に係る入出力操作装置の第１および第２のフィルタ回路の他の構成例を示す。 図２Ｇは、第１の実施形態に係る入出力操作装置の第２のフィルタ回路の他の構成例を示す。 図２Ｈは、第１の実施形態に係る入出力操作装置の第２のフィルタ回路の他の構成例を示す。 図２Ｉは、第１の実施形態に係る入出力操作装置の第２のフィルタ回路の他の構成例を示す。 図２Ｊは、第１の実施形態に係る入出力操作装置の第２のフィルタ回路の他の構成例を示す。 図２Ｋは、第１の実施形態に係る入出力操作装置の第２のフィルタ回路の他の構成例を示す。 図２Ｌは、第１の実施形態に係る入出力操作装置の第２のフィルタ回路の他の構成例を示す。 図２Ｍは、第１の実施形態に係る入出力操作装置の具体的な他の構成例を示す。 図２Ｎは、第１の実施形態に係る入出力操作装置の具体的な他の構成例を示す。 図２Ｏは、第１の実施形態に係る入出力操作装置の具体的な他の構成例を示す。 図２Ｐは、第１の実施形態に係る入出力操作装置の具体的な他の構成例を示す。 図２Ｑは、第１の実施形態に係る入出力操作装置の具体的な他の構成例を示す。 図２Ｒは、第１の実施形態に係る入出力操作装置の具体的な他の構成例を示す。 図３Ａは、第２の実施形態に係る入出力操作装置の構成例を示す。 図３Ｂは、第２の実施形態に係る入出力操作装置の具体的な構成例を示す。 図３Ｃは、図３Ｂに示す入出力操作装置における、位置信号Ｐｏおよび補正位置信号Ｐｃを模式的に示している。 図３Ｄは、図３Ｂに示す入出力操作装置における、位置信号Ｐｏおよびフィルタ位置信号Ｐｆと補正位置信号Ｐｃを示している。 図４Ａは、第３の実施形態に係る入出力操作装置の構成例を示す。 図４Ｂは、第３の実施形態に係る入出力操作装置の具体的な構成例を示す。 図４Ｃは、図４Ｂに示す入出力操作装置における、位置信号Ｐｏおよび補正位置信号Ｐｃを模式的に示している。 図４Ｄは、図４Ｂに示す入出力操作装置における、位置信号Ｐｏ、補正位置信号Ｐｃおよび補正信号Ｃを示している。 図５Ａは、第４の実施形態に係る入出力操作装置の構成例を示す。 図５Ｂは、第４の実施形態に係る入出力操作装置の具体的な構成例を示す。 図５Ｃは、図５Ｂに示す入出力操作装置における、位置信号Ｐｏおよび補正位置信号Ｐｃを模式的に示している。 図５Ｄは、図５Ｂに示す入出力操作装置における、位置信号Ｐｏ、補正位置信号Ｐｃおよび補正信号Ｃを示している。 図６Ａは、第５の実施形態に係る入出力操作装置の構成例を示す。 図６Ｂは、図６Ａに示す入出力操作装置における、速度信号Ｖｃおよび位置演算ブロックの減算器に入力される２つの信号を模式的に示している。 図７Ａは、第６の実施形態に係る入出力操作装置の構成例を示す。 図７Ｂは、第６の実施形態に係る入出力操作装置の具体的な構成例を示す。 図７Ｃは、図７Ｂに示す入出力操作装置における、位置信号Ｐｏ、補正位置信号Ｐｃ、フィルタ位置信号Ｐｆとその速度および加速度信号を示している。 図８Ａは、第７の実施形態に係る入出力操作装置の位置演算ブロックおよび駆動演算ブロックの他の構成例を示す。 図８Ｂは、積分演算要素の他の構成例を示す。
例えば、車載用として操作者から操作を受け付ける入力装置においては、男性、女性あるいは体格といったように繊細感の違いや力の強さに依存しない、ストレス負荷を感じない快適な運転環境を支える品位ある操作感が求められる。本開示の入出力操作装置は、触覚として操作部に与える負荷を適切に増減させることで、いずれの操作者に対しても適した反力を返し、誤設定の生じにくい操作感覚を提供し得る。
本開示の入出力操作装置の概要は以下のとおりである。
本開示の入出力操作装置は、操作者が操作する操作部と、前記操作部の位置を検出し、前記操作部の位置に対応する位置信号を生成する検出部と、前記位置信号を受け取り、速度制御信号を生成する制御回路と、前記速度制御信号を受け取り、前記操作部を駆動する駆動回路とを備え、前記制御回路は、（ａ）前記位置信号を第１のフィルタ回路に通し、速度信号を生成し、（ｂ）前記第１のフィルタ回路とは異なる周波数通過特性を有する第２のフィルタ回路に前記位置信号を通し、補正信号を生成し、（ｃ）少なくとも前記速度信号と前記補正信号とを加算し、前記速度制御信号を生成する。
前記第１のフィルタ回路および前記第２のフィルタ回路は、それぞれ低域遮断周波数を有し、前記第１のフィルタ回路の前記低域遮断周波数は、前記第２のフィルタ回路の前記低域遮断周波数より高くてもよい。
前記第１のフィルタ回路および前記第２のフィルタ回路は、前記位置信号を所定のサンプリング周期でサンプリングし、第１のフィルタ回路の前記サンプリング周期は、前記第２のフィルタ回路の前記サンプリング周期より短くてもよい。
前記第１のフィルタ回路は、前記位置信号を微分演算し、前記第２のフィルタ回路は、前記位置信号を低域通過フィルタに通し、フィルタ位置信号を生成し、前記制御回路は、前記フィルタ位置信号に応じて生成された補正位置信号を前記微分された前記位置信号から減算してもよい。
前記第２のフィルタ回路は、前記位置信号または前記フィルタ位置信号から所定の時間内において一定値を有するオフセット信号を減算してもよい。
前記制御回路は、前記位置信号を前記第２のフィルタ回路に通すことにより得られた信号から、所定の時間内において一定値を有するオフセット信号を減算してもよい。
前記オフセット信号の前記一定値は、前記操作部の操作可動範囲に対応する前記位置信号の値に設定されてもよい。
前記第２のフィルタ回路の前記低域遮断周波数は、前記第１のフィルタ回路を通すことによって生成した前記速度信号に対応する速度に応じて設定されてもよい。
前記第２のフィルタ回路の前記低域遮断周波数は、前記第１のフィルタ回路を通すことによって生成した前記速度信号に対応する速度が速いほど小さく設定されてもよい。
前記第２のフィルタ回路の前記低域遮断周波数は、前記位置信号に応じて設定されてもよい。
前記制御回路は、前記位置信号を前記第１のフィルタ回路に通すことによって得られた信号を、さらに比例演算またはＰＩ演算し、前記速度信号を生成してもよい。
前記制御回路は、前記位置信号を前記第２のフィルタ回路を通すことによって生成した信号を、さらに比例演算またはＰＩ演算し、前記補正信号を生成してもよい。
前記制御回路は、前記操作部が変位する方向と反対方向に前記操作部を駆動させるための前記速度制御信号を生成してもよい。
前記制御回路は、前記操作部が変位する方向と同じ方向に前記操作部を駆動させるための前記速度制御信号を生成してもよい。
前記補正位置信号は、前記フィルタ位置信号であってもよい。
前記補正位置信号は、前記位置信号をフィルタリングした前記フィルタ位置信号の離散化演算を行うことにより生成されてもよい。
前記比例演算は、前記位置信号を前記第２のフィルタ回路に通すことにより得られた信号を分割演算した信号を比例係数とする比例演算を、前記位置信号から、第２のフィルタ回路に通すことにより得られた信号を減じることにより得られた信号に対して行い、前記補正信号を生成してもよい。
前記補正位置信号は、前記位置信号をフィルタリングした前記フィルタ位置信号を所定の距離間隔で選択して目標点を設定し、前記目標点を所定時間保持することにより生成されてもよい。
前記補正位置信号は、前記位置信号をフィルタリングした前記フィルタ位置信号を微分演算したフィルタ速度信号と、前記フィルタ速度信号を微分演算した加速度信号とを判定し、前記加速度信号が第１の閾値以上かつ前記フィルタ速度信号が第２の閾値以上のとき、前記位置信号をフィルタリングした前記フィルタ位置信号に第１の補正信号を加算し、前記加速度信号が第３の閾値以下のとき、前記フィルタ位置信号に第２の補正信号を減算してもよい。
前記制御回路は、演算装置、メモリおよびメモリに記憶され、前記演算装置に実行可能なように構成されたプログラムを含み、前記演算装置が、前記プログラムを実行することにより、（ａ）前記速度信号を生成、（ｂ）前記補正信号の生成、および（ｃ）前記速度制御信号の生成を行ってもよい。
前記制御回路は、オペアンプ、抵抗およびキャパシタを含むアナログ回路によって構成されていてもよい。
(第１の実施の形態)
以下、本開示の入出力操作装置の第１の実施の形態を説明する。図１は、本開示の第１の実施形態に係る入出力操作装置の構成を概略的に示す。
第１の実施形態の入出力装置は、アクチュエータ１と、アンプ１１と、制御回路５と、駆動出力回路１０とを備える。
アクチュエータ１は、操作者が操作する操作部２を有している。操作部２は、操作者が手や指で直接触れるＴ字状の接触部が樹脂製の球体に取り付けられている。球体は、球体の球心を中心に回転自在に設けられている。球体の内部には永久磁石２’が設けられている。アクチュエータ１は、更に位置検出器（検出部）３と電磁コイル４とを有する。
操作者が操作部２に操作力１２を与えることによって、位置検出器３が位置あるいは位置変化を示す信号を取得する。位置検出器３は、例えば、永久磁石２’の磁気変化を検出するホール素子等があり、磁気変化により、操作部２の位置を検出し、位置信号を生成する。位置信号は、アンプ１１により増幅され、制御回路５に入力される。アンプ１１は制御回路５に含まれていてもよい。
制御回路５は、演算装置（ＣＰＵ）５’、Ａ／Ｄ変換器６、メモリ７、位置演算ブロック８および駆動演算ブロック９を含む。Ａ／Ｄ変換器６は、増幅されたアナログの位置信号をデジタル信号に変換する。デジタルの位置信号は位置演算ブロック８に入力する。位置演算ブロック８は、メモリ７に記憶された指令値に基づいて位置信号に演算を施し、演算された位置信号（演算位置信号）を駆動演算ブロック９に出力する。必要に応じて演算結果をメモリ７へ出力し、メモリ７が演算された位置信号を記憶する。
演算装置５’は、メモリ７に読み込まれたコンピュータプログラムを実行することにより、以下に説明する位置演算ブロック８および駆動演算ブロック９の機能を実現する。また、他の構成要素の制御を行う。
なお、メモリ７は、揮発性であってもよいし、不揮発性であってもよい。揮発性メモリ（ＲＡＭ）は、電力を供給しなければ記憶している情報を保持できないランダムアクセスメモリである。たとえば、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ）は、典型的な揮発性ＲＡＭである。不揮発性ＲＡＭは、電力を供給しなくても情報を保持できるＲＡＭである。たとえば、磁気抵抗ＲＡＭ（ＭＲＡＭ）、抵抗変化型メモリ（ＲｅＲＡＭ）、強誘電体メモリ （ＦｅＲＡＭ）は、不揮発性ＲＡＭの例である。本実施の形態においては、不揮発性ＲＡＭが採用されることが好ましい。
揮発性ＲＡＭおよび不揮発性ＲＡＭはいずれも、一時的でない（non-transitory）、コンピュータ読み取り可能な記録媒体の例である。また、ハードディスクのような磁気記録媒体や、光ディスクのような光学的記録媒体も一時的でない、コンピュータ読み取り可能な記録媒体の例である。すなわち本開示にかかるコンピュータプログラムは、コンピュータプログラムを電波信号として伝搬させる、大気などの媒体（一時的な媒体）以外の、一時的でない種々のコンピュータ読み取り可能な媒体に記録され得る。
駆動演算ブロック９は、演算された位置信号に基づき速度制御信号を生成し、電磁コイル４を駆動させる駆動出力回路１０へ出力する。また駆動演算ブロック９からの速度制御信号は必要に応じてメモリ７へ出力され、記憶される。
駆動出力回路１０は速度制御信号に基づき電磁コイル４を駆動する駆動信号を生成する。電磁コイル４に電流が流れ、操作部２の球体内に位置する永久磁石２’に、電磁コイル４の磁力が作用して球体が回転する。これにより、操作者は、操作部２から負荷を感じる。永久磁石２’および電磁コイル４は駆動部に対応する。
上記構成のうち、操作部２は、１軸方向、２軸方向に変位操作ができるジョイスティックやスライド等、または軸周りに回転する操作ができるステアリングや回転ダイヤル等、中心点周りに回転できるトラックボール等を用いることができる。位置検出器３は、ホール素子、磁気抵抗素子等の磁気センサ、フォトカプラ等の光学センサを用いることができる。
本実施形態の入出力操作装置は操作部２の位置信号から操作部２の速度信号を生成し、速度信号に基づき、操作者による操作部２の変位する方向と反対の方向に操作部２を駆動する。これにより、操作者は操作部２から感じる負荷として、操作部２を速くあるいは大きな操作力で移動させた場合には大きな抵抗を感じ、遅くあるいは小さい操作力で移動させた場合には、小さな抵抗を感じる。また、入出力操作装置は、操作者による操作部２の変位に対して高い周波数で制御するため、操作部２を速く操作するほど、速い応答で上述した操作部２の駆動を行う。よって、本実施形態の入出力操作装置は、操作者に粘性感を与える。このための構成を以下詳細に説明する。
図２Ａは図１に示す入出力操作装置の概略的な構成の一例を示すブロック図である。上述したように、操作者が操作部２に負荷として操作力１２を与えることによって、位置検出器３が操作部２の位置または位置変化を示す位置信号を生成する。位置信号はアンプ１１によって増幅され、制御回路５において、Ａ／Ｄ変換されることにより、位置信号Ｐｏとなる。
制御回路５の駆動演算ブロック９および位置演算ブロック８は、第１のフィルタ回路１１９および第２のフィルタ回路１１８をそれぞれ含む。第１のフィルタ回路１１９および第２のフィルタ回路１１８はいずれも、高域通過フィルタの機能を有する。位置信号Ｐｏが、第１のフィルタ回路１１９および第２のフィルタ回路１１８を通過し、位置信号Ｐｏがフィルタリング処理されることによって、実質的に、位置信号Ｐｏが微分され、速度信号が生成する。これにより、上述した操作者による操作部２の変位速度に応じた操作部２の駆動を行うための制御が可能となる。
また、第１のフィルタ回路１１９および第２のフィルタ回路１１８の高域通過フィルタの周波通過特性は互いに異なる。これにより、第１のフィルタ回路１１９および第２のフィルタ回路１１８を通過することにより生成する２つの速度信号に異なる制御特性を持たせることができ、これら２つの速度信号を加算器１１０で加えあわせることにより得られた速度制御信号Ｖｃによって、より複雑な操作部２の制御を実現し得る。
例えば、図２Ｂに示すように、第１のフィルタ回路１１９の低域遮断周波数ｆｃ１は、第２のフィルタ回路１１８の低域遮断周波数ｆｃ２より高い。操作者による操作部２の位置変化は、人間による操作であるため、比較的低い周波数成分（例えば数十Ｈｚ以下）の位置信号を生成する。このため、操作者の操作に応じた操作部２の駆動には、位置信号の低い周波数成分を利用することにより、応答性に優れた制御感を呈示できる。つまり、粘性感を呈示する操作部２の駆動には、第２のフィルタ回路１１８を通過させることにより得られる位置信号を主として用いることが好ましい。
一方、操作者の手指や掌は、位置変動よりも高い周波数成分（例えば数百Ｈｚ以下）による操作部２の振動を感知し得る。このため、第１のフィルタ回路１１９の低域遮断周波数ｆｃ１はこのような、触覚の呈示に利用することもできる。
第１のフィルタ回路１１９および第２のフィルタ回路１１８における高域通過フィルタの機能は種々の回路構成によって実現し得る。以下、第１のフィルタ回路１１９および第２のフィルタ回路１１８をそれぞれ含む駆動演算ブロック９および位置演算ブロック８の具体的な例を説明する。
図２Ｃは図２Ａに示す位置演算ブロック８の構成の一例を示すブロック図である。上述したように、制御回路５においてＡ／Ｄ変換された位置信号Ｐｏは位置演算ブロック８および駆動演算ブロック９へ出力される。位置演算ブロック８は補正位置演算ブロック１０４を含み、補正位置演算ブロック１０４は位置信号Ｐｏに基づき、補正位置信号Ｐｃを生成する。位置演算ブロック８は、位置信号Ｐｏと補正位置信号Ｐｃとの差分を求め、演算位置信号Ｐｍとして駆動演算ブロック９へ出力する。駆動演算ブロック９は位置信号Ｐｏおよび演算位置信号Ｐｍを演算して速度制御信号Ｖｃを出力する。速度制御信号Ｖｃは駆動出力回路１０へ出力され、駆動出力回路１０からの出力が電磁コイル４に流れることで操作者への負荷となる。
図２Ｄに粘性感を得るより具体的な構成の一例を示す。図２Ｄに示す構成では、位置演算ブロック８は、補正位置演算ブロック１０４（図２Ｃ）として低域通過フィルタ１０８を含む。位置信号Ｐｏが低域通過フィルタ１０８を通過し、フィルタリングされることによって、フィルタ位置信号Ｐｆが生成する。本実施形態では、フィルタ位置信号Ｐｆを連続した補正位置信号Ｐｃとして用いる。位置演算ブロック８は、位置信号Ｐｏと補正位置信号Ｐｃとの差分を逐次求め、演算位置信号Ｐｍとして出力する。
図２Ｅは、位置信号Ｐｏ、補正位置信号Ｐｃおよび演算位置信号Ｐｍの一例を模式的に示している。低域通過フィルタ１０８は、所定の周波数以上の信号を通過させず、カットする。このため、補正位置信号Ｐｃは、位置信号Ｐｏに比べて周波数が低く、位相が遅れまた、振幅が小さくなる。位置信号Ｐｏの周波数が高いほど、補正位置信号Ｐｃの形状は位置信号Ｐｏの形状と異なり、補正位置信号Ｐｃと位置信号Ｐｏとの差分である演算位置信号Ｐｍは大きくなる。つまり、演算位置信号Ｐｍは位置信号Ｐｏの低周波成分である補正位置信号Ｐｃの影響を受ける。
駆動演算ブロック９は、微分演算要素１０２および比例演算要素１０６を含む。微分演算要素１０２は、位置信号Ｐｏを受け取り、位置信号Ｐｏを時間微分することによって、例えば、位置信号の単位時間あたりの変化量を算出することによって、速度信号Ｖを生成する。
比例演算要素１０６は演算位置信号Ｐｍに比例演算を施す。具体的には、比例演算要素１０６は位置演算ブロック８から得られた演算位置信号Ｐｍに比例定数を乗じ、補正信号Ｃを出力する。駆動演算ブロック９は、速度信号Ｖに補正信号Ｃを加え、速度制御信号Ｖｃを生成する。
駆動演算ブロック９において生成される速度信号Ｖは、操作部２の変位速度（第１の速度）を示す信号に相当する。一方、補正信号Ｃは、補正位置信号Ｐｃと位置信号Ｐｏとの差分である演算位置信号Ｐｍを逐次求め、比例定数を乗じることによって得られるため、位置変化量に基づく値であり、速度信号といえる。したがって、速度信号Ｖと補正信号Ｃとの和である速度制御信号Ｖｃは、操作部２の変位速度とは異なる速度信号（第２の速度）である。
つまり、速度制御信号Ｖｃは、位置信号Ｐｏに基づいて生成され、操作部２の変位速度（第１の速度）に応じて、この変位速度とは異なる速度（第２の速度）で、操作部２を駆動させるための信号である。速度制御信号Ｖｃにより駆動部が操作部２を第２の速度で駆動させようとするとき、実際には、操作者は操作部２を第１の速度で駆動部の駆動方向と反対の方向に移動させている。そのため、駆動部は、速度制御信号Ｖｃにより操作部２を通じて操作者に負荷を与える。よって、操作者は負荷を感じながら操作部２を移動させることになり、負荷による操作部２の移動の重さ（鈍さ）を感じる。
位置演算ブロック８および駆動演算ブロック９の演算で用いる定数やパラメータはメモリ７において、例えばデータＡ、Ｂ、Ｃとして記憶されており、演算の際読み出される。定数やパラメータは複数組用意され、操作者の操作によって触覚設定の変更、入出力操作装置が搭載される車両や機器などからの指令、等に基づき、複数組のデータから１つの組が選択されてもよい。
本実施形態の入出力操作装置では、駆動演算ブロック９が速度信号Ｖに補正信号Ｃを加えて速度制御信号Ｖｃを生成する。補正信号Ｃは、位置演算ブロック８である低域通過フィルタ１０８に数十Ｈｚ以下の低域通過フィルタを用いて生成する。速度制御信号Ｖｃにより生じる反力を周波数特性で表すとき、低周波帯域から高周波帯域に渡って補正信号Ｃにより高められ、高周波帯域では、さらに速度信号Ｖが加わることにより高められる。そのため、操作者の操作力に対する反力を広域の周波数帯域において増加させることができる。本実施形態の入出力操作装置は、操作者が手指や掌全体を使って操作部２を操作する自然な速度において、十分な粘性感が得られる。
このように低域通過フィルタを通過したフィルタ位置信号Ｐｆを用いた補正信号Ｃを速度信号Ｖに加えて速度制御信号Ｖｃを生成することにより、速度信号Ｖを単に比例演算した信号を速度制御信号とした場合に比較し、十分な粘性感を得ることができる。駆動出力回路１０は速度制御信号Ｖｃに基づき駆動信号を生成し、電磁コイル４へ出力する。駆動信号により電磁コイル４の磁力が永久磁石２’に作用し、操作部２が操作力１２と反対の方向に働く、つまり、負荷として作用する。このため、操作者は操作部２から押し戻されるような操作感を知覚する。
このように本実施形態によれば、操作部の操作速度に応じ、従来難しかった粘性感覚を呈示する入出力操作装置が実現し得る。例えば、操作力が小さくゆっくりした操作を行う場合には、負荷の小さい軽い操作感覚を呈示することができる。一方、操作力が強く速い操作を行う場合には、負荷を増加させ、重い操作感覚を呈示することできる。これにより、操作部の動きを遅くし、操作部を移動させすぎることによる誤操作を抑制することができる。
なお、本実施形態では、永久磁石２’と電磁コイル４とによる磁力は操作力１２と反対の方向に働く。しかし、駆動演算ブロック９は、生成した速度制御信号Ｖｃの符号を反転させた速度制御信号を駆動出力回路１０へ出力してもよい。あるいは、磁力が操作力１２と同じ方向に働くように、駆動出力回路１０に駆動信号を入力してもよい。この場合、操作者の意図した動きに対応した触覚を呈示できる。例えば、操作部の早い操作は、遠くへの移動を示唆しているので、負荷を小さくして、早く目標位置に操作部を移動させることができる。また、遅い操作は目標に近づいていることを示唆しているので、負荷を大きくして、目標位置からのずれを小さくすることができる。
本実施形態の位置演算ブロック８および駆動演算ブロック９の構成は、図２Ｄに示すものに限られず、種々の改変が可能である。
例えば、図２Ａを参照して説明した第１および第２のフィルタ回路１１９、１１８の高域通過フィルタの機能は、遅延器を用いて実現してもよい。具体的には、図２Ｆに示すように、第１のフィルタ回路１１９は遅延器１１９ａ、減算器１１９ｂおよび減衰器１１９ｃを含む。遅延器１１９ａは位置信号Ｐｏを所定のサンプリング周期Ｔ１でサンプリングする。減算器１１９ｂは、位置信号Ｐｏから遅延器１１９ａの出力を減算する。減衰器１１９ｃは減算器１１９ｂの出力信号を減衰させる。同様に、第２のフィルタ回路１１８は遅延器１１８ａ、減算器１１８ｂおよび減衰器１１８ｃを含む。遅延器１１８ａは位置信号Ｐｏを所定のサンプリング周期Ｔ２でサンプリングする。減算器１１８ｂは、位置信号Ｐｏから遅延器１１８ａの出力を減算する。減衰器１１８ｃは減算器１１８ｂの出力信号を減衰させる。サンプリング周期Ｔ１はサンプリング周期Ｔ２よりも十分に短い（Ｔ１＜＜Ｔ２）。このため、図２Ｆに示す第１のフィルタ回路１１９は高域通過フィルタとしての機能を実現する。また、サンプリング周期Ｔ２がサンプリング周期Ｔ１に比べて十分に長いと言えるため、第２のフィルタ回路１１８は低域通過フィルタとしての機能を実現する。
また、図２Ｃに示す第２のフィルタ回路１１８の位置演算ブロック８は、図２Ｇおよび図２Ｈに示すように、低域通過フィルタ１０８および減算器１０９に加えて、所定の時間一定値を出力するオフセット信号生成器１２１と、減算器１２２とを備えていてもよい。図２Ｇに示すように、位置演算ブロック８は、位置信号Ｐｏからオフセット信号を減算し、得られた信号を低域通過フィルタ１０８に通過させる。この構成によれば、例えば、操作部２が所定の領域内Ｐに位置している場合に、所定の領域Ｐ内の特定の位置Ｃに操作部２を誘導する制御を実現し得る。
また、図２Ｈに示すように、減算器１２２が低域通過フィルタ１０８を通過した位置信号からオフセット信号を減算してもよい。この構成によれば、操作部２の変位中、例えばオフセット信号生成器１２１が、一定の時間間隔ごとに位置Ｃ１、Ｃ２、・・・・で示される位置に対応するオフセット信号を出力することによって、位置Ｃ１、Ｃ２、・・・・においてクリック感が生じる感覚を操作者に与えることができる。この機能は、例えば、図２Ｉに示すように、位置演算ブロック８の演算位置信号Ｐｍにオフセット信号を与えるように構成することによっても実現することができる。
また図２Ｊから図２Ｋに示すように、第２のフィルタ回路１１８の低域通過フィルタ１０８の特性を変化させてもよい。例えば、図２Ｄに示す入出力装置の構成において、図２Ｊに示すように低域通過フィルタ１０８’のカットオフ周波数を定数器１２３によって設定してもよい。定数器１２３は、例えば、第１のフィルタ回路１１９である微分演算要素１０２から速度信号Ｖを受け取り、速度信号Ｖに応じて低域通過フィルタ１０８のカットオフ周波数を設定する。このために定数器１２３は速度信号Ｖの値の範囲に対応したカットオフ周波数の値が決定されているテーブルを備えていてもよい。例えば、速度信号Ｖが大きくなるほど、小さいカットオフ周波数が対応づけられたテーブルであってもよい。
また図２Ｋに示すように、低域通過フィルタ１０８’のカットオフ周波数を位置信号Ｐｏに応じて設定してもよい。あるいは、図２Ｌに示すように、位置信号Ｐｏを受け取り、位置信号に応じて低域通過フィルタ１０８’のカットオフ周波数を決定する演算回路１２４を備えていてもよい。この場合、演算回路１２４は、位置信号Ｐｏを用い、演算により、カットオフ周波数を算出してもよいし、位置信号Ｐｏとカットオフ周波数とが対応づけられたテーブルを含み、テーブルを参照してカットオフ周波数を決定してもよい。
また、図２Ｍに示すように、駆動演算ブロック９は演算位置信号ＰｍにＰＩ（比例＋積分）演算を施してもよい。具体的には、駆動演算ブロック９は、互いに並列に接続された比例演算要素１０６と積分演算要素１１１とを備えていてもよい。積分演算要素１１１は演算位置信号Ｐｍの積分演算を行い、積分値を出力する。駆動演算ブロック９は、比例演算要素１０６から得られる演算位置信号Ｐｍに比例定数を乗じた値と演算位置信号Ｐｍを積分した値とを加算し、補正信号Ｃを生成する。このような回路によっても、上述したように、粘性感覚を呈示する入出力操作装置が実現し得る。
同様に、第１のフィルタ回路１１９から得られる速度信号に、ＰＩ演算を施してもよい。具体的には、図２Ｎに示すように、駆動演算ブロック９は、互いに並列に接続された比例演算要素１０６’と積分演算要素１１１’とを備えていてもよい。積分演算要素１１１’は速度信号Ｖの積分演算を行い、積分値を出力する。駆動演算ブロック９は、比例演算要素１０６’から得られる速度信号Ｖ’に比例定数を乗じた値と速度信号Ｖを積分した値とを加算し、補正された速度信号を生成する。あるいは、図２Ｏに示すように、比例演算要素１０６’のみを用いて補正された速度信号Ｖ’を生成してもよい。
また、これまでの形態では、操作部２が、操作者による操作部２の変位する方向と反対の方向に駆動されることにより、入出力操作装置は操作者に粘性感を呈示する。これに対し、図２Ｐに示すように、制御回路は、速度信号Ｖと補正信号Ｃを加算した信号を反転して出力する反転出力器１２５を備えていてもよい。これにより、制御回路５は、操作部２が変位する方向と同じ方向に操作部２を駆動させるための速度制御信号を生成する。この構成によれば、入出力操作装置は操作者の操作をアシストするように操作部２を駆動することができる。
また、図２Ａおよび図２Ｂを参照して説明したように、本実施形態の入出力操作装置は、操作部２を振動させることによって、操作者に触覚や音を呈示することができる。例えば図２Ｑに示すように、駆動演算ブロック９は、振動信号発生回路１２６および加算器１２７をさらに備えていてもよい。振動信号発生回路１２６は、操作者の手や掌に触覚を呈示するように操作部２を振動させる数百Ｈｚ程度の振動信号を生成する。加算器１２７は位置信号Ｐｏに振動信号を加え、第１のフィルタ回路１１９へ出力する。第１のフィルタ回路１１９の低域遮断周波数ｆｃ１は、第２のフィルタ回路１１８の低域遮断周波数ｆｃ２より高いため、振動信号の成分を遮断することなく速度信号Ｖとして出力する。あるいは、図２Ｒに示すように、第１のフィルタ回路１１９から得られる速度信号Ｖに振動信号発生回路１２６で生成した振動信号を加えてもよい。
このようにして生成した速度信号Ｖに補正信号Ｃを加え、生成した速度制御信号Ｖｃを用いて駆動出力回路１０が操作部２を駆動することによって、操作者は、操作部２から振動を感じることができる。操作者が感じる振動による触覚は、振動信号の波形および周波数によって異ならせることができる。振動信号発生回路１２６が生成する振動信号は、一定であってもよいし、操作部２の位置や操作部２の移動速度、つまり、位置信号Ｐｏや速度信号Ｖに応じて異ならせてもよい。また、振動信号発生回路１２６は、触覚を呈示する振動信号に代えて、あるいは、触覚を呈示する振動信号に加えて、可聴範囲の周波数を有する振動信号を発生させてもよい。
上述したように、第２のフィルタ回路１１８は主として操作部２の操作に対する負荷を感じさせる力あるいはアシストを感じさせる力を発生させる信号を生成する。このような信号は、操作者の操作速度に応じた周波数を有し、一般に数十Ｈｚ程度の周波数である。このため、第２のフィルタ回路１１８を通過するあるいは通過した信号に上述した触覚や音を呈示する信号を重畳した場合、制御の閉ループに含まれる第２のフィルタ回路１１８を通過することによって、触覚や音を呈示する信号成分は除去されてしまい、適切な制御が難しくなる場合がある。これに対し、本実施形態によれば、第１のフィルタ回路１１９は、触覚や音を呈示する信号成分を透過するような低域遮断周波数を設定できる。つまり、本実施形態によれば、操作部２の移動の制御および操作部２の振動の制御を実現することができ、操作者により快適な操作感を呈示することができる。
(第２の実施の形態)
本実施形態の入出力操作装置はラチェット感を呈示する。図３Ａは、本実施形態の入出力操作装置の位置演算ブロック８の構成を示す。位置演算ブロック８は、補正位置演算ブロック１０４と離散化フィルタ２０４とを含む。補正位置演算ブロック１０４から得られたフィルタ位置信号Ｐｆを離散化フィルタ２０４に通過させることによって、フィルタ位置信号Ｐｆに離散化演算を施す。これによって、位置信号Ｐｏに対して、ステップ状、つまり、離散的に値が変化する補正位置信号Ｐｃを生成する。ステップあるいは離散した補正位置信号Ｐｃの値の間隔はメモリ７に設定されている値を離散定数２０５として設定して演算に用いる。
図３Ｂに位置演算ブロック８の具体的な一例を示す。位置演算ブロック８は、低域通過フィルタ１０８、除算処理器２００、整数化器２０１および乗算処理器２０２を含む。低域通過フィルタ１０８は、補正位置演算ブロック１０４に対応し、除算処理器２００、整数化器２０１および乗算処理器２０２が離散化フィルタ２０４に対応する。
位置信号Ｐｏが低域通過フィルタ１０８を通過することにより、フィルタ位置信号Ｐｆが生成する。フィルタ位置信号Ｐｆは除算処理器２００に入力され、離散定数２０５を用いて除算を行う。整数化器２０１は、除算によって得られる商に基づき、繰り上げおよび繰り下げ処理を行う。例えば、小数第１位が０〜４であれば繰りさげ、５〜９であれば繰り上げを行うことによって、商の整数化を行う。乗算処理器２０２は、整数化器２０１から整数化された商を受け取り、離散定数２０５を乗じ、補正位置信号Ｐｃとして出力する。
位置信号Ｐｏと補正位置信号Ｐｃの関係を図３Ｃに示す。図３Ｃに示すように、補正位置信号Ｐｃはステップ状あるいは離散的な値を有している。位置信号ＰｏがＰ０からＰ１の間にある時は補正位置信号Ｐｃ１が出力される。同様に位置信号ＰｏがＰ１からＰ２の時は補正位置信号Ｐｃ２が、位置信号ＰｏがＰ２からＰ３の時は補正位置信号Ｐｃ３が出力される。
生成した補正位置信号Ｐｃは第１の実施形態と同様、位置信号Ｐｏに加えられ、演算位置信号Ｐｍが生成される。
図３Ｄは、位置信号Ｐｏおよびフィルタ位置信号Ｐｆと補正位置信号Ｐｃの関係を示す。フィルタ位置信号Ｐｆは細破線で示すように連続しているが、繰り上げおよび繰り下げ処理によって、補正位置信号Ｐｃが生成される結果、位置信号Ｐｏに対して、破線丸印で示される目標点２０６が設定される。図３Ｄに示すように操作者は操作位置に対して目標点２０６に引き戻されるため反力を感じ、目標点２０６が次の目標点に切り替わった時に負荷が最小となるため、負荷の変動を感じることができる。このため、操作者は、負荷の変動をラチェット感として知覚することができる。
(第３の実施の形態)
本実施形態の入出力操作装置もラチェット感を呈示する。図４Ａは、本実施形態の入出力操作装置の位置演算ブロック８の構成を示す。本実施形態の入出力操作装置は、目標点が離散的ではない点で第２の実施の形態の入出力操作装置と異なる。
図４Ａに示すように、本実施形態の入出力操作装置の位置演算ブロック８は、補正位置演算ブロック１０４と位置分割フィルタ２１５とを含む。第１の実施形態と同様、位置信号Ｐｏを補正位置演算ブロック１０４に通過させ、補正位置信号Ｐｃとして出力し、補正位置信号Ｐｃと位置信号Ｐｏの差分を求めることにより、演算位置信号Ｐｍを得る。これにより、第１の実施形態と同様、粘性感を呈示し得る駆動を行う。
補正位置信号Ｐｃは位置分割フィルタ２１５にも入力される。位置分割フィルタ２１５では補正位置信号Ｐｃの値に応じてメモリ７から指示された値に応じて位置信号の領域を分割し、分割された領域に応じてメモリ７から指示された設定値を駆動演算ブロック９で設定して補正信号Ｃの出力を変動させる。
図４Ｂに本実施形態の入出力操作装置における位置演算ブロック８の具体的な一例を示す。第１の実施形態と同様、位置演算ブロック８は、補正位置演算ブロック１０４である低域通過フィルタ１０８に位置信号Ｐｏを通過させることにより、フィルタ位置信号Ｐｆを生成する。
乗算器２１０は、メモリ７から指示された任意定数２１３をフィルタ位置信号Ｐｆに乗じる。得られた信号は、整数化器２１１によって、整数化された後、除算処理器２１２にて、任意定数２１４で除算され、余剰値が求められる。任意定数２１４は位置信号Ｐｏを分割する領域の数となる。設定には余剰値が０の場合も含まれるので、実際は領域の数より１だけ少ない数が設定される。
余剰値に応じて、あらかじめメモリ７に格納していた比例演算要素１０６に比例係数Ｘ０、Ｘ１、・・・Ｘｎを設定する。比例演算要素１０６に異なる値を設定することで、補正信号Ｃが変化し、負荷の出力が変動する。これにより、補正信号Ｃ（第２の速度の大きさ）は、不連続かつ周期状に変化する。補正位置信号Ｐｃに応じて出力される補正信号Ｃが変化することから、第２の実施の形態である離散化とは異なる形で、同様にラチェット感覚が得られる。
図４Ｃは分割する領域の数が５つである場合の、位置信号Ｐｏと補正位置信号Ｐｃとの関係を示す。位置信号ＰｏがＰ０からＰ１の間の時は余りが０なので領域Ａとなり、比例演算要素１０６の値Ｘ０を設定する。Ｐ１からＰ２の間では余りが１なので領域Ｂとなり、比例演算要素１０６の値Ｘ１を設定する。Ｐ２からＰ３の間では余りが２なので領域Ｃとなり、比例演算要素１０６の値Ｘ２を設定する。Ｐ３からＰ４の間では余りが３なので領域Ｄとなり、比例演算要素１０６の値Ｘ３を設定する。Ｐ４からＰ５の間では余りが４なので領域Ｅとなり、比例演算要素１０６の値Ｘ４を設定する。次のＰ５からＰ６の間では余りが再び０なので領域Ａとなり、比例演算要素１０６の値Ｘ０の設定になる。このように少なくとも２つの分割領域を設けることで、負荷量となる補正信号Ｃが変化する。よって操作者が感じる負荷が変わり、ラチェットの感覚を得ることができる。
分割する領域は、例えば操作部が円形に動作し得る場合、操作部の位置角度に応じて分割してもよい。例えば、操作部の角度が０度から１０度を領域Ａ、１１度から２０度を領域Ｂというように設定してもよい。図４Ｄは具体的に操作している時の位置信号Ｐｏ、補正位置信号Ｐｃおよび補正信号Ｃの関係を示す。補正位置信号Ｐｃは細破線のようになり、各領域に区切られた範囲にて比例係数Ｘ０からＸ４が除算され、補正信号Ｃが生成される。演算に用いる乗算器２１０の定数及び除算処理器２１２の定数はメモリ７に格納され得る。
(第４の実施の形態)
本実施形態の入出力操作装置もラチェット感を呈示する。図５Ａは、本実施形態の入出力操作装置の位置演算ブロック８の構成を示す。本実施形態の入出力操作装置は、時間の規制によってラチェット感覚を得ている点で第２および第３の実施形態の入出力操作装置と異なる。
本実施形態の入出力操作装置の位置演算ブロック８は、補正位置演算ブロック１０４、固定目標点演算ブロック２２５、時間処理ブロック２２６および目標点切替ブロック２２７を含む。
位置信号Ｐｏを補正位置演算ブロック１０４に通過させることによって得られた演算信号Ｐｃ０は固定目標点演算ブロック２２５および目標点切替ブロック２２７に入力される。固定目標点演算ブロック２２５は、演算信号Ｐｃ０の変化量を計測し、変化量が、メモリ７に設定されているデータの値に達した時、演算信号Ｐｃ０の値が固定された目標点（値）となるように、目標点切替ブロック２２７に演算信号Ｐｃ０を記憶させる。同時に時間処理ブロック２２６の目標値とするための時間計測を開始する。この時点で目標点切替ブロック２２７からの出力である補正位置信号Ｐｃは一定値に定まる。しかし、操作者が負荷に対して直ちに反応できずに操作部を操作し続けることにより、位置信号Ｐｏには変化が生じる。定点化された補正位置信号Ｐｃの演算位置信号Ｐｍが出力され、駆動演算ブロック９で演算され補正信号Ｃとして出力し、負荷力となる。
時間処理ブロック２２６において、メモリ７で設定された時間に達した場合、演算信号Ｐｃ０を目標点切替ブロック２２７に通して補正位置信号Ｐｃと演算信号Ｐｃ０が等しい状態にする。補正位置信号Ｐｃが演算信号Ｐｃ０と等しくなるタイミングで、操作者が感じる負荷が減少に転じることにより、ラチェットの感覚を得ることができる。
図５Ｂに本実施形態の入出力操作装置における位置演算ブロック８の具体的な一例を示す。
補正位置演算ブロック１０４である低域通過フィルタ１０８に位置信号Ｐｏを通過させることによって得られたフィルタ位置信号Ｐｆは固定目標点設定器２２２に入力される。判定器２２０は、フィルタ位置信号Ｐｆの値が、メモリ７から呼び出された指定距離（＝Ｃ）以上になると判定スイッチ２２３をＮからＹに変化させる。
判定器２２１は、メモリ７から呼び出された設定時間を計測し、設定時間内であれば、判定スイッチ２２４をＮからＹに変化させる。これにより固定目標点設定器２２２で決められた値が補正位置信号Ｐｃとして設定される。設定時間が経過すると、判定スイッチ２２４はＹからＮに変化し、固定目標点設定器２２２で決められた値から、フィルタ位置信号Ｐｆに切り替わる。また、判定スイッチ２２３もＹからＮへ変化する。
図５Ｃは位置信号Ｐｏと補正位置信号Ｐｃの関係を示す。位置信号ＰｏがＰ０の時、距離Ｃだけ動いた時、補正位置信号ＰｃがＰｃ１となって指定されたΔｔ時間内だけ固定目標点設定器２２２は目標点をＰｃ１に設定する。このとき操作者は直ちに反応できずに操作部を操作し続けるため、目標点がＰｃ１に設定されている間、負荷が発生する。そのΔｔ時間が経過すると固定目標点設定器２２２の値に係わらず、補正位置信号Ｐｃがフィルタ位置信号Ｐｆとなって出力される。
図５Ｄは時間的に変化する位置信号Ｐｏおよび補正位置信号Ｐｃを示す。太い破線丸印は補正位置信号Ｐｃである。直前の固定目標点設定器２２２で決められた値からの距離がＣになった時、固定目標点設定器２２２は指定時間であるΔｔ時間分その固定目標点設定器が設定した目標点の値に固定し、補正位置信号Ｐｃを生成する。つまり、操作部が所定距離を変位した変位位置において、所定時間の間、操作部の変位を止めることを繰り返す速度制御信号を生成する。操作者は、目標位置（目標点）に向けて操作部２を移動させる。操作部２が目標位置に達しても、操作者はすぐに操作部２を停止させることはできず、操作部２が目標位置から行き過ぎてしまう。この場合、操作部２が移動方向と反対の方向に駆動されることによって、操作者は大きな負荷を感じる。さらに、Δｔ時間を過ぎるとこの負荷は０になる。その結果、負荷の変化がラチェットのような感覚として呈示される。
(第５の実施の形態)
本実施形態の入出力操作装置もラチェット感を呈示する。図６Ａは、本実施形態の入出力操作装置の構成を示す。本実施形態の入出力操作装置は、遠くの目標位置に対して正確かつ速く目標位置へ操作部を移動させるため、操作部が早く操作されているときには、粘性感を呈示し、目標位置に近づいたときにはラチェット感を呈示する。
図６Ａは、本実施の形態の入出力操作装置の具体的な一例を示す。図６Ａに示すように、本実施形態の入出力操作装置の位置演算ブロック８は、判定スイッチ２５１、低域通過フィルタ１０８、固定目標点設定器２５２および減算器２５３を含む。駆動演算ブロック９は、微分演算要素１０２、比例演算要素１０６、加算器１１０および判定器２５４を含む。また、メモリ７は、格納データＡ、格納データＢおよび格納データＸを記憶している。メモリ７は、格納データＸとして位置信号Ｐｏを逐次記憶する。また、格納データＡおよび格納データＢとして所定の値を記憶している。格納データＡは格納データＢよりも大きな値である。
位置演算ブロック８は、判定器２５４からの出力に基づき動作する。具体的には、判定器２５４は、速度制御信号Ｖｃとメモリ７に記憶されている格納データＡまたは格納データＢとを比較する。図６は、位置演算ブロック８の減算器２５３に入力される２つの信号および速度制御信号Ｖｃを示している。
初期状態では、判定器２５４は速度制御信号Ｖｃと格納データＡとを比較する。速度制御信号Ｖｃが格納データＡよりも大きい場合、つまり、操作部２の操作速度が速い場合、判定スイッチ２５１は、判定器２５４からの信号に基づき位置信号Ｐｏを低域通過フィルタ１０８に通すように選択する。これにより、低域通過フィルタ１０８からフィルタ位置信号Ｐｆが出力さる。減算器２５３は位置信号Ｐｏからフィルタ位置信号Ｐｆを減算し、演算位置信号Ｐｍを出力する。比例演算要素１０６は、演算位置信号Ｐｍに比例演算を行い、加算器１１０に出力する。加算器１１０は、比例演算要素１０６の出力と、微分演算要素１０２から出力される位置信号Ｐｏを微分演算した信号とを加算し、速度制御信号Ｖｃを生成する。
判定器２５４は、速度制御信号Ｖｃと格納データＡとを比較し、速度制御信号Ｖｃが格納データＡよりも大きい場合には、判定スイッチ２５１が低域通過フィルタ１０８を選択するように判定スイッチ２５１へ信号を出力する。速度制御信号Ｖｃが格納データＡよりも大きい場合には、判定器２５４は信号を出力せず、判定スイッチ２５１は、判定器２５４からの信号がない場合に、低域通過フィルタ１０８を選択するように構成されていてもよい。このように、速度制御信号Ｖｃが格納データＡよりも大きい場合、制御回路５は、上述したループを繰り返す。これにより、入出力操作装置は操作者に粘性感を呈示する。
操作者による操作部２の位置が目標位置に近づくことにより、操作者が操作部２の移動速度を低下させると、速度制御信号Ｖｃも小さくなる。判定器２５４は、速度制御信号Ｖｃが格納データＡより小さい場合、あるいは、速度制御信号Ｖｃが格納データＡ以下である場合、その時の位置信号Ｐｏ’を格納データＸとして保存する。格納データＸは、固定目標点設定器２５２に入力される。また、判定器２５４の出力に基づき、判定スイッチ２５１は、固定目標点設定器２５２を選択する。これにより、低域通過フィルタ１０８には位置信号Ｐｏが入力されず、固定目標点設定器２５２が設定された格納データＸを定点信号Ｐｋとして出力する。減算器２５３は位置信号Ｐｏから定点信号Ｐｋを減算し、演算位置信号Ｐｍを出力する。比例演算要素１０６は、演算位置信号Ｐｍに比例演算を行い、加算器１１０に出力する。加算器１１０は、比例演算要素１０６の出力と、微分演算要素１０２から出力される位置信号Ｐｏを微分演算した信号とを加算し、速度制御信号Ｖｃを生成する。
このように、速度制御信号Ｖｃが格納データＡより小さい場合、つまり、操作者が操作部２を目標位置近傍に移動させることによって、操作部２の移動速度が小さくなった場合には、定点信号Ｐｋに基づき速度制御信号Ｖｃを生成する。定点信号Ｐｋは、速度制御信号Ｖｃが格納データＡ以下となった時の位置信号Ｐｏ’に基づいており、かつ、定点信号Ｐｋは一定である。
以降、判定器２５４は、速度制御信号Ｖｃと格納データＢとを比較する。図６Ｂに示すように、速度制御信号Ｖｃが格納データＢよりも小さい場合、判定スイッチ２５１が固定目標点設定器２５２を選択するように信号を出力する。制御回路５は、位置信号Ｐｏの変化にかかわらず、固定目標点設定器２５２が設定した格納データＸによる定点信号Ｐｋに基づき速度制御信号Ｖｃを生成する。
速度制御信号Ｖｃが格納データＢより大きくなった場合、判定器２５４は、初期状態の動作を行う。つまり、速度制御信号Ｖｃが格納データＡよりも大きい場合、判定スイッチ２５１は、判定器２５４からの信号に基づき位置信号Ｐｏを低域通過フィルタ１０８に通すように選択する。
このように、格納データＢが、格納データＡよりも小さく設定されており、また、速度制御信号Ｖｃが格納データＢより大きくなるまで、定点信号Ｐｋに基づき速度制御信号Ｖｃを生成する。このため、操作部２が一定の位置信号Ｐｏ’に基づく所定の位置から離れるように操作される場合には、一定の位置信号Ｐｏ’に基づく所定の位置へ引き戻すように操作部２を駆動する速度制御信号Ｖｃが生成する。このため、操作部２は、一定の位置信号Ｐｏ’に基づく所定の位置へ操作部２を導くように駆動され、入出力操作装置は操作者にラチェット感を呈示する。
このように本実施形態の入出力装置によれば、粘性感およびラチェット感を切り替えて操作者に呈示することができる。また、値が異なる格納データＡおよび格納データＢを用いて、粘性感およびラチェット感の切り替を行うことにより、粘性感呈示からラチェット感呈示への切り替えと、ラチェット感呈示から粘性感呈示への切り替えのタイミングの異なるヒステリシスのある制御が実現する。例えば、格納データＢが格納データＡよりも大きい場合には、目標位置に操作部２が近づくまで、操作者に粘性感を呈示し、操作部２を他の目標位置に移動させる場合には、大きな操作をしない限り、操作者にラチェット感を呈示する。これにより、明確な大きな力で操作部２を操作しない限り、操作部２を新しい目標位置に移動させにくい感覚を操作者に提示することができる。
(第６の実施の形態)
本実施形態の入出力操作装置は操作者にざらざらした感触負荷を呈示する。図７Ａは、本実施形態の入出力操作装置の位置演算ブロック８の構成を示す。位置信号Ｐｏは補正位置演算ブロック１０４に入力され、生成した演算信号Ｐｃ０が位置補正ブロック２４０に入力される。位置補正ブロック２４０は演算信号Ｐｃ０を減算する処理と加算する処理とを判断して補正位置信号Ｐｃとして出力する。位置信号Ｐｏと補正位置信号Ｐｃとを加算または減算し演算位置信号Ｐｍを生成し、演算位置信号Ｐｍは比例演算要素１０６を通過して補正信号Ｃとして出力負荷を変化させる。
図７Ｂに本実施形態の入出力操作装置の位置演算ブロック８の具体的な一例を示す。
低域通過フィルタ１０８を通過することにより位置信号Ｐｏからフィルタ位置信号Ｐｆを生成する。微分器２３０はフィルタ位置信号Ｐｆを時間微分することにより速度信号Ｖｅを生成し、更に速度信号Ｖｅを微分器２３８によって時間微分することにより、加速度信号Ａｅを得る。
閾値判定器２３１は、加速度信号Ａｅが閾値以下であれば切替スイッチ２３５をＮからＹに切り替える。これにより、速度信号Ｖｅに補正係数Ｂ２３２が乗算されたブレーキ信号Ｂが生成し、フィルタ位置信号Ｐｆからブレーキ信号Ｂ（第２の補正信号）が減算される。
閾値判定器２３１は、加速度信号Ａｅが閾値よりも大きい時は切替スイッチ２３５をＹからＮに切り替える。これにより、ブレーキ信号Ｂは０に設定される。
閾値判定器２３４は、加速度信号Ａｅが閾値以上であれば、切替スイッチ２３７をＮからＹに切り替える。これにより、速度信号Ｖｅに補正係数Ａ２３３が乗算されたアシスト信号Ａが生成し、フィルタ位置信号Ｐｆにアシスト信号Ａ（第１の補正信号）が加算される。
閾値判定器２３４は、加速度信号Ａｅが閾値よりも小さい時は切替スイッチ２３７をＹからＮに切り替える。これにより、アシスト信号Ａは０に設定される。
このような信号処理により、位置演算ブロック８は、操作部の変位の加速が大きくなると、操作部を駆動することによる操作力に対する反力を小さくし、操作部の変位の減速が大きくなると、反力を大きくするように速度制御信号を生成する。
図７Ｃは、位置信号Ｐｏ、フィルタ位置信号Ｐｆ、フィルタ位置信号Ｐｆの速度信号Ｖｅおよび加速度信号Ａｅに補正位置信号Ｐｃを示す。加速度信号Ａｅが閾値Ａ以上または閾値Ｂ以下である場合に、速度信号Ｖｅに補正係数Ａ２３３または補正数Ｂ２３２を乗じた信号をフィルタ位置信号Ｐｆに重畳付加させ、補正位置信号Ｐｃを生成する。加速度信号Ａｅが閾値Ｂ以下の時、操作者はブレーキの感覚として反力を感じる。加速度信号Ａｅが閾値Ａ以上の時は反力が軽減されるため、反力が弱くなる。そのため、操作者への負荷がざらざらした感触を与えることができる。
(第７の実施の形態)
第１から第６の実施の形態の入出力装置は、演算装置とメモリおよびメモリに記憶されたソフトウエアプログラムで実行される制御回路５を備えていた。しかし、制御回路５の位置演算ブロック８および駆動演算ブロック９は電子回路によって構成してもよい。例えば図２Ｄに示す入出力装置において、微分演算要素１０２、低域通過フィルタ１０８、減算器１０９、比例演算要素１０６および加算器１１０は、図８Ａに示すように、それぞれオペアンプ、抵抗およびキャパシタによって構成することができる。
また図２Ｍに示す積分演算要素１１１は、図８Ｂに示すように、オペアンプ、抵抗およびキャパシタによって構成することができる。
本開示の入出力操作装置は、種々の分野における触覚呈示が可能な入力装置として好適に用いられる。
１ アクチュエータ
２ 操作部
２’ 永久磁石
３ 位置検出器
４ 電磁コイル
５ マイコン
５’ 中央演算装置
６ Ａ／Ｄ変換器
７ 記憶部
８ 位置演算ブロック
９ 駆動演算ブロック
１０ 駆動出力回路
１１ アンプ
１２ 操作力

Claims (21)

  1. 操作者が操作する操作部と、
    前記操作部の位置を検出し、前記操作部の位置に対応する位置信号を生成する検出部と、
    前記位置信号を受け取り、速度制御信号を生成する制御回路と、
    前記速度制御信号を受け取り、前記操作部を駆動する駆動回路と、
    を備え、
    前記制御回路は、
    （ａ）前記位置信号を第１のフィルタ回路に通し、速度信号を生成し、
    （ｂ）前記第１のフィルタ回路とは異なる周波数通過特性を有する第２のフィルタ回路に前記位置信号を通し、補正信号を生成し、
    （ｃ）少なくとも前記速度信号と前記補正信号とを加算し、前記速度制御信号を生成する、
    入出力操作装置。
  2. 前記第１のフィルタ回路および前記第２のフィルタ回路は、それぞれ低域遮断周波数を有し、
    前記第１のフィルタ回路の前記低域遮断周波数は、前記第２のフィルタ回路の前記低域遮断周波数より高い、請求項１に記載の入出力操作装置。
  3. 前記第１のフィルタ回路および前記第２のフィルタ回路は、
    前記位置信号を所定のサンプリング周期でサンプリングし、
    前記第１のフィルタ回路の前記サンプリング周期は、前記第２のフィルタ回路の前記サンプリング周期より短い、
    請求項１に記載の入出力操作装置。
  4. 前記第１のフィルタ回路は、前記位置信号を微分演算し、
    前記第２のフィルタ回路は、前記位置信号を低域通過フィルタに通し、フィルタ位置信号を生成し、
    前記制御回路は、
    前記フィルタ位置信号に応じて生成された補正位置信号を前記微分された前記位置信号から減算する、
    請求項１に記載の入出力操作装置。
  5. 前記第２のフィルタ回路は、
    前記位置信号または前記フィルタ位置信号から所定の時間内において一定値を有するオフセット信号を減算する、
    請求項４に記載の入出力操作装置。
  6. 前記制御回路は、
    前記位置信号を前記第２のフィルタ回路に通すことにより得られた信号から、所定の時間内において一定値を有するオフセット信号を減算する、請求項１に記載の入出力操作装置。
  7. 前記オフセット信号の前記一定値は、前記操作部の操作可動範囲に対応する前記位置信号の値に設定される、請求項５または請求項６に記載の入出力操作装置。
  8. 前記第２のフィルタ回路の前記低域遮断周波数は、前記第１のフィルタ回路を通すことによって生成した前記速度信号に対応する速度に応じて設定される、請求項２に記載の入出力操作装置。
  9. 前記第２のフィルタ回路の前記低域遮断周波数は、前記第１のフィルタ回路を通すことによって生成した前記速度信号に対応する速度が速いほど小さく設定される、請求項８に記載の入出力操作装置。
  10. 前記第２のフィルタ回路の前記低域遮断周波数は、前記位置信号に応じて設定される、請求項２に記載の入出力操作装置。
  11. 前記制御回路は、前記位置信号を前記第１のフィルタ回路に通すことによって得られた信号を、さらに比例演算またはＰＩ演算し、前記速度信号を生成する、請求項１に記載の入出力操作装置。
  12. 前記制御回路は、前記位置信号を前記第２のフィルタ回路に通すことにより得られた信号を、さらに比例演算またはＰＩ演算し、前記補正信号を生成する、請求項１に記載の入出力操作装置。
  13. 前記制御回路は、前記操作部が変位する方向と反対方向に前記操作部を駆動させるための前記速度制御信号を生成する、請求項１に記載の入出力操作装置。
  14. 前記制御回路は、前記操作部が変位する方向と同じ方向に前記操作部を駆動させるための前記速度制御信号を生成する、請求項１に記載の入出力操作装置。
  15. 前記補正位置信号は、前記フィルタ位置信号である、請求項４に記載の入出力操作装置。
  16. 前記補正位置信号は、前記位置信号をフィルタリングした前記フィルタ位置信号の離散化演算を行うことにより生成された、請求項４に記載の入出力操作装置。
  17. 前記比例演算は、前記位置信号を前記第２のフィルタ回路に通すことにより得られた信号を分割演算した信号を比例係数とする比例演算を、前記位置信号から、前記第２のフィルタ回路に通すことにより得られた信号を減じることにより得られた信号に対して行い、前記補正信号を生成する、請求項１２に記載の入出力操作装置。
  18. 前記補正位置信号は、前記位置信号をフィルタリングした前記フィルタ位置信号を所定の距離間隔で選択して目標点を設定し、前記目標点を所定時間保持することにより生成された、請求項４に記載の入出力操作装置。
  19. 前記補正位置信号は、
    前記位置信号をフィルタリングした前記フィルタ位置信号を微分演算したフィルタ速度信号と、前記フィルタ速度信号を微分演算した加速度信号とを判定し、
    前記加速度信号が第１の閾値以上かつ前記フィルタ速度信号が第２の閾値以上のとき、前記位置信号をフィルタリングした前記フィルタ位置信号に第１の補正信号を加算し、
    前記加速度信号が第３の閾値以下のとき、前記フィルタ位置信号に第２の補正信号を減算する、
    請求項４に記載の入出力操作装置。
  20. 前記制御回路は、演算装置、メモリおよびメモリに記憶され、前記演算装置に実行可能なように構成されたプログラムを含み、
    前記演算装置が、前記プログラムを実行することにより、（ａ）前記速度信号を生成、（ｂ）前記補正信号の生成、および（ｃ）前記速度制御信号の生成を行う請求項１から１９のいずれかに記載の入出力操作装置。
  21. 前記制御回路は、オペアンプ、抵抗およびキャパシタを含むアナログ回路によって構成されている請求項１から１９のいずれかに記載の入出力操作装置。
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