JP6649373B2 - 無負荷トルクを低減した触覚インタフェースのための装置 - Google Patents

Description

本発明は、無負荷トルクを低減した触覚インタフェースのための装置、及び係る装置を構成する触覚インタフェースに関する。

触覚インタフェースは、ユーザによって操作される回転ボタンの形を取ってもよく、この場合、インタフェースは、作動ボタンの角度位置とユーザによって加えられた動きにしたがってユーザに抵抗を与えるトルクを生成し、これにより、ボタンを回転させたときにユーザによって知覚される触覚パターンを規定することが可能になる。

抵抗トルクは、磁気粘性流体によってボタンに伝達されてもよく、その見掛け粘性は、所定の触覚パターンを規定するために磁界を印加することによって変更される。

触覚感覚をできるだけ正確に表現するために、無負荷トルクを低減した触覚インタフェースを作成することが求められる。

先行技術による磁気粘性流体を含む回転式触覚インタフェースは、磁気粘性流体に浸された要素に固定されたボタンを備え、流体に磁界が印加され、流体の見掛け粘度が変化する。流体は、チャンバに蓄えられ、シャフトが、その軸のまわりに、流体相互作用要素の両側に位置する軸受によって回転可能にガイドされる。シャフトとチャンバ間の気密を保証し、かつ軸受を磁気粘性流体から分離するために、シャフトとチャンバの壁の間に２つの気密が作成される。気密は、密着して取り付けられたシールによって得られる。その場合、触覚インタフェースは、かなりの無負荷トルクを有する。

したがって、本発明の１つの目的は、無負荷トルクを低減した触覚インタフェースのための装置を提供することである。

前述の目的は、ユーザ相互作用要素（以降、ユーザ相互作用要素と呼ぶ）と流体相互作用要素（以降、流体相互作用要素と呼ぶ）とを備えた触覚インタフェースのための装置によって達成され、流体の見掛け粘度が、制御刺激にしたがって変化し、ユーザ相互作用要素と流体相互作用要素が、その長手軸のまわりに回転可能なシャフトに一緒に回転するように固定され、前記流体相互作用要素は、前記流体を収容するチャンバ内に配置され、装置は、可変刺激（例えば、磁気粘性流体の場合には可変磁界）を生成する手段を備える。流体相互作用要素は、ユーザ相互作用要素が固定された端と反対側のシャフトの長手方向端に固定された少なくとも１つの相互作用スカートを有し、スカートは、シャフトのまわりにユーザ相互作用要素の方に延在する。シャフトは、チャンバの単一壁を通過し、前記通過は気密でありシール手段を実現する。インタフェースは、また、シール手段とユーザ相互作用要素との間に配置されたシャフトの回転をガイドする手段を備える。

単一シール手段の実装により、無負荷トルクを減らすことが可能である。

換言すると、流体相互作用要素の向きと、この要素と回転ガイド手段の相対的配置によって、単一シールだけを使用して、チャンバの気密を保証しかつ流体ガイド手段を保護できる。

この相対的配置によって、流体と相互作用する装置の要素の位置決めマージンを維持できる。

この相対的配置は、更に、小型であるという利点を有する。

特に好ましくは、ガイド手段は、シャフトに直角の平面内で流体相互作用要素と実質的に合うように位置する。流体相互作用要素内の体積を使用して、きわめて良好な回転ガイドと小さい全体寸法が得られる。インタフェースは、更に、高ダイナミックレンジを有し、利用可能な公称制動トルクと無負荷トルクとの比率が、インタフェースの全体寸法に影響を及ぼすことなく最大化される。

したがって、装置の制動性能を維持し全体寸法を保ちながら、無負荷トルクの小さい触覚インタフェースが得られる。

１つの有利な実施形態では、ガイド手段は低回転角を有し、例えば、ニードルローラケージによって構成される。

好ましくは、可変刺激生成手段は、流体相互作用要素の内部に配置され、これにより、チャンバを小型サイズに維持しながら高い最大制動トルクを得ることが可能になる。

１つの好ましい例では、磁気粘性流体の場合、チャンバは、磁界をガイドする２つの磁気コア内に部分的に形成される。

したがって、本発明の内容は、
ユーザ相互作用要素と、
流体と相互作用する要素であって、流体の見掛け粘度が制御刺激にしたがって変化する要素と、
軸のまわりに回転するのに適したシャフトであって、ユーザ相互作用要素と流体相互作用要素が一緒に回転するように固定されたシャフトと、
見掛け粘度が制御刺激にしたがって変化する流体と、
壁によって画定され前記流体を収容するチャンバであって、前記流体相互作用要素が流体と接した状態で中に配置されたチャンバと、
流体内に可変刺激を生成する手段とを備え、
流体相互作用要素が、シャフトを取り囲む少なくとも１つの可動相互作用壁を備え、前記相互作用壁が、ユーザ相互作用要素が固定された端と反対側のシャフトの長手方向端に固定され、前記第１の端からユーザ相互作用要素の方に延在しており、
シャフトが、チャンバの単一壁を通過し、
シャフトと前記壁の間に配置されて気密通路を形成するシール手段と、
シール手段とユーザ相互作用要素との間でシャフトのまわりに配置された、シャフトの回転をガイドする手段とを備えた回転触覚インタフェースのための装置である。

好ましくは、回転ガイド手段は、流体相互作用要素内に相互作用壁に面して配置されている。好ましくは、回転ガイド手段は低い回転角を有し、回転ガイド手段は、ニードルローラケージを備えている。

可変刺激を生成する手段は、好ましくは、流体相互作用要素の相互作用壁内に画定された空間内に少なくとも部分的に配置される。

例えば、可変刺激を生成する手段は可変磁界を生成する手段であり、流体は磁気粘性流体である。

例えば、可変磁界を生成する手段はコイルと少なくとも１つの磁気コアを含み、前記コイルは流体相互作用要素の相互作用壁内に画定された空間内に配置される。

好ましくは、可変磁界を生成する手段は、コイル内に配置された内側磁気コアと、コイル外に配置された外側磁気コアとを備え、前記内側磁気コアと外側磁気コアは少なくとも部分的にチャンバを構成し、コイルは相互作用壁の一部に面するように構成される。

例えば、コイルは内側磁気コアの肩部と外側磁気コアの軸受面との間に取り付けられている。

内側コアは、環形状であり、シャフトが取り付けられた貫通通路を備え、シール手段はシャフトと貫通通路の間の気密を保証する。

例えば、回転ガイド手段は内側磁気コアの貫通通路内に取り付けられる。

好ましくは、シール手段はシャフトに形成された溝に埋め込まれる。

チャンバは、シャフトが横切る壁の反対側に配置され、取り外し可能に固定された閉鎖板によって形成された壁を備えうる。

好ましくは、流体相互作用要素は、少なくとも２つの同心相互作用壁を備える。この場合、装置は、チャンバに対して固定され少なくとも２つの同心可動相互作用壁の間に挿入された相互作用壁を備えることが可能であり、前記固定相互作用壁は可動相互作用壁と同心である。

好ましくは、固定壁は非磁性材料で作成された横断インサートに固定されている。

流体相互作用要素はシャフトに垂直の端部を有し、それにより、相互作用壁がシャフトに固定され、前記端部は好ましくは非磁性材料で作成されている。端部は、オーバーフローを放出しかつ／又は充填を容易にするように意図された少なくとも１つの貫通孔を備えうる。

本発明の別の内容は、以上のクレームのいずれかによる装置と、ユーザ相互作用要素の回転運動の特性を測定する手段と、触覚パターンを含む制御ユニットとを備え、前記制御ユニットが、測定手段と可変刺激生成手段とに接続され、測定手段から出された信号に基づいて選択されたパターンにしたがって、可変刺激を生成する手段に命令を生成するのに適する。測定手段は、例えば、角度位置センサを備える。

本発明は、以下の説明と添付図面に基づいてより明瞭に理解される。

触覚インタフェースの実施形態の例の側面図である。 図１のインタフェースの平面Ａ−Ａに沿った断面図である。 図２のインタフェースと同じ図であり、磁界生成手段によって生成された磁力線が示されている。

以下の説明では、磁気粘性流体（即ち、その見掛け粘度が、印加される磁界によって変化する）を使用する触覚インタフェースの例が説明されるが、電気粘性流体（即ち、見掛け粘度が、印加される電界に依存する流体）の使用は、本発明の範囲外ではない。

図１と図２に、回転ボタンを有する触覚インタフェースの実施形態の一例が見られる。インタフェースは、オペレータによって操作されるように意図されたボタン２（点線で表わされた）と、一緒に回転するようにボタン２が固定されたシャフト４と、シャフト４が回転可能に取り付けられたケーシング又はハウジング６を備える。シャフト４は、回転に適した長手軸Ｘを有する。

図２に、ハウジング６の内部を示す。

インタフェースは、磁気粘性流体と相互作用する相互作用要素８を備え、流体及び相互作用要素は、ハウジング６内の気密チャンバ１２に収容されている。また、この要素８は、シャフト４に固定され、したがってシャフト４と一緒に回転する回転ボタン２に固定されている。

相互作用要素８は、軸Ｘに沿って延在する円盤形底部１４と、円形断面を有する１つ以上の周囲壁１６又はスカートとを備える。周囲壁又はスカートは、流体と相互作用するように意図され、以下では「相互作用壁」と呼ばれうる。好ましくは、底部は非磁性材料で作成される。図示の例では、相互作用要素は２つの同心相互作用壁を備え、ハウジングに固定された管状要素２８は２つの相互作用壁１６の間に挿入され、相互作用壁１６が回転するときに磁気粘性流体の剪断作用に寄与する。相互作用壁は流体と相互作用し、周囲壁と流体の間に生じる剪断力によってある程度制動される。底部は、スカートの支持要素を形成する。

複数の相互作用壁を使用することにより、寸法を制限しながら制動トルクを高めることが可能である。

流体相互作用要素が１つの相互作用壁だけを含み管状要素を含まない装置は、本発明の範囲外ではない。

端部１４は、チャンバ４内にあるシャフト４の長手方向端４．１に固定される。端部１４は、長手軸Ｘに実質的に垂直に延在する。図示の例では、好ましくは、端部１４は、例えば制動トルクの伝達を可能にする駆動四角部によって、シャフト４にねじ込まれる。

相互作用壁１６は底部から回転ボタン２に向けて延在する。この場合、流体相互作用要素は、実質的に逆さベル形状を有し、底部１４は、図２の表現の下側部分を構成する。インタフェースの向きが、その動作に関係しないことを理解されよう。

あるいは、要素８は１つの相互作用側壁又は３つ以上の同心相互作用壁を備えてもよい。更に、相互作用壁は、動きに対する抗力を高めるために、スロット及び／又は突出又は中空部分を備えてもよい。要素８の相互作用壁１６は、磁性材料又は非磁性材料で作成されうる。

触覚インタフェースは、可変磁界を生成する手段１８を備える。図示の例では、可変磁界を生成する手段１８は、コイル２２と磁気コア２４，２６を有する電磁石を含む。コイル２２は、軸Ｘと合わせられた軸と合わせられた軸を有する。

ハウジング、流体及び磁界生成手段を含む組立体は、回転ボタン、シャフト及び流体相互作用要素を含む組立体の磁気粘性制動装置を構成する。

好ましくは、コイルは、流体相互作用要素内で端部１４と反対側に配置され、これにより、相互作用壁の直径が大きくなり、またコイルによって生成された磁束が大きい表面積にわたって相互作用壁の剪断ゾーンを通ることが可能となり、これにより、シャフトと回転ボタンに印加される制動トルクが大きくなり、したがってユーザが受け取る感覚が大きくなる。

好ましくは、気密チャンバの内側壁と外側壁は、磁界をガイドする磁気コアによって直接構成される。

コイルは、ボタンの動作と事前記録パターンとにしたがって制御ユニットＵＣによって制御される電流源に接続される。接続ワイヤは、例えば外側磁気コア２６を通る。

磁気コア２４は、コイル２２内に配置され、チャンバの内側壁３０を構成し、「内側磁気コア」と呼ばれる。他方の磁気コア２６は、コイル２２の外に配置され、チャンバの外側壁３２を構成し、「外側磁気コア」と呼ばれる。図示の例では、２つの側壁３０，３２は、管状で同心である。スカート１６は、内側管状壁３０と外側管状壁３２の間の空間内に配置される。

コイル２２は、スカート１６の一部分と面するように、内側コア２４の肩部と外側コア２６の環状軸受面の間に収容される。コイル２２は、生成された磁束が、スカート１６が位置するチャンバのゾーンを通るように配置される。

内側コア２４は、環形状であり、貫通中央通路３６を有し、シャフト４は、密着して取り付けられ、内側コア２４の中央通路３６内で旋回するのに適する。本発明によって、シャフト４は、チャンバの１つの壁だけを通り、チャンバ内のシャフトの気密組み立ては、単一シール３８（例えば、Ｏリング）を使用して行なわれうる。シール３８は、その外径上で、内側コアと接して密着して取り付けられ、その内径上でシャフトに接して摺動する。単一シールを使用することにより、シャフト４に印加された無負荷摩擦トルクを減らすことができる。更に、より好ましくは、シール３８はシャフトに形成された溝４０に埋め込まれる。その場合、シール３８はシャフト４の小径に沿って接し、それにより、シャフト上の無負荷トルクを更に減らすことができる。

チャンバは、その底端が、例えばねじ留めよって外側コア２６に固定された閉鎖板３４によって、シャフト４が通る側と反対側で閉じられている。閉鎖板３４は、非磁性材料で作成されることが好ましい。

図示の例では、外側コア２６は、ハウジングの外壁を形成するが、更に他の実施形態を想定できる。

コイル２２は、このましくは、相互作用壁の大面積領域を磁界が横切るように構成される。好ましくは、コイル２２は、内側管状壁３０と外側管状壁３２の間の空間に対して上側ゾーン又は下側ゾーン内に位置する。

磁気コアは、磁界を相互作用壁１６内に導くようなものである。

好ましくは、管状要素２８は、環状インサート３１に固定され、環状インサート３１は、図示の例では、外側磁気コア２６の環状軸受面と内側磁気コア２４の肩部の間に留められている。好ましくは、環状インサート３１は、非磁性材料で作成される。

流体相互作用要素の底部１４と環状インサート３１を非磁性材料で作成することによって、図３の表現で上方向と下方向への磁気漏れが制限され、磁界は、図３に概略的に示されたように周囲壁１６に通される。

あるいは、管状要素２８のスロットの存在と関連した非磁性材料を使用する好ましい例では、管状要素２８が外側磁気コア２６に直接埋め込まれてもよい。気密チャンバは、縦断面図では、流体相互作用要素の縦断面形状に対応する実質Ｕ字形を有し、これにより、必要な流体の体積が減り、磁界が生成される空間が小さくなる。

インタフェースは、また、その軸Ｘのまわりのシャフトの回転をガイドするためのガイド手段４２を有する。ガイド手段は、シール３８とチャンバの外側のボタンとの間に配置されて、チャンバの内側環状壁によって画定された内部空間内で少なくとも部分的に、シール３８を磁気粘性流体から分離する。

図示の例では、回転ガイド手段４２は、内側磁気コア２４の貫通中央通路３６内に取り付けられている。

回転ガイド手段は、軸受によって、１つ以上の玉軸受によって、また好ましくは小さい無負荷トルクを提供するニードルローラケージによって構成されうる。更に、回転ガイド手段は、低い回転角度を有するので、小さい全体寸法で相互作用壁の共軸性を十分に制御し得る。

更に、ガイド手段４２の構成が流体相互作用要素にできるだけ近いので、スカート１６と回転ガイド手段との距離が小さくなり、回転作用が小さくなり、したがってスカート１６とハウジングの要素（例えば、内側環状壁３０、外側環状壁３２、管状要素２８）との接触リスクが小さくなる。

更に、この機構が「流体相互作用要素内」にあるので、流体相互作用要素内に在る空間を占めることによって空間を節約し、したがって小型インタフェースを提供できる。

チャンバは、流体相互作用要素の制動に寄与しないゾーン、例えば、スカートの自由端と環状インサート３１の間にあるゾーンと、端部と内側磁気コア２４の間にあるゾーンとを有する。これらのゾーンは、磁気粘性流体の膨張時に流体貯蔵及び／又は容量補償ゾーンとして働き得る。

好ましくは、端部は、チャンバと相互作用する要素を嵌合した後でオーバーフローを放出しかつ／又はチャンバの追加充填を可能にする貫通オリフィス４３を備える。

触覚インタフェースは、また、回転ボタンの動きの特性を測定するための少なくとも１つのセンサ４４、例えば角度位置センサを備える。センサ４４は、例えば部分的にシャフト４に固定され、光学ホイールによって構成されうる。センサは、触覚パターンデータベースを含む制御ユニットＵＣに接続され、制御ユニットＵＣは、磁界を生成する手段に接続される。

次に触覚インタフェースの動作について述べる。

ユーザは、回転ボタン２を操作して軸Ｘのまわりに旋回させ、流体相互作用要素８も回転される。磁界がない状態で、ユーザは、本発明によって、シールだけによりきわめて低い無負荷トルクしか知覚しない。

回転ボタン２の動きは、センサ４４（例えば、位置センサ）によって検出され、センサ４４は、ボタンの動きに関する情報を制御ユニットＵＣに送る。制御ユニットは、そのような信号に基づいて、適用される触覚パターンを決定し、磁界を生成する手段に送られる命令を生成する。この命令は、内側コア２４と外側コア２６によって導かれて内側環状壁３０と外側環状壁３２の間の空間を通って磁気粘性流体の見掛け粘度を高める磁界を生成し、スカート１６とチャンバの固定壁３０，３２の間及びスカート１６と管状要素２８の間の流体と関連した剪断力が大きくなり、シャフトを介して回転ボタンに伝達される流体相互作用要素の動きと実質的に対抗し、この動きが、ユーザによって知覚される制動感覚を生成する。

触覚パターンは、可変強度の制動感覚でよく、又はストップを再現してもよい。

磁界の値は、センサによって送られた信号にしたがって連続的に適応される。

本発明により、無負荷トルクが減少し、それによりフリーホイール型触覚パターンの再現が改善される。

更に、このように触覚感覚が、より大きい負荷ダイナミックレンジから利益を得られるので、ストップ再現を有利に改善できる。一般に、無負荷トルクが減少したとき、ボタンの無負荷操作の触覚感覚は、ユーザによって知覚されることが好ましい。

更に、その製造が単純化される。

更に、流体相互作用要素内で電磁気が調整される一実施形態では、全体寸法を小さくしながら最大制動トルクを大きくしている。

端部とシャフトに対するスカートの向きによって、回転ガイド手段をスカート内に配置可能であり、これにより、スカートと制動装置の固定要素との接触リスクを減らすことによってガイド性が改善される。更に、制動装置の設計が小型になる。

本発明による触覚インタフェースは、特に自動車の用途に適し、例えば自動車ドライバを支援する搭載型触覚インタフェースを構成する。この触覚インタフェースは、ユーザが、ＧＰＳ（全地球測位システム）、ラジオ、空調などの様々な車両機器又はアクセサリと相互作用することを可能にする。

２ ユーザ相互作用要素
４ シャフト
８ 流体相互作用要素
１６ 可動相互作用壁
１８ 磁界
２２ コイル
２４ 内側磁気コア
２６ 外側磁気コア
３８ シール手段

Claims (16)

1. 回転式触覚インタフェースを備えた装置であって、
   ユーザと相互作用するユーザ相互作用要素（２）と、
   見掛け粘度が制御刺激にしたがって変化する流体と相互作用する流体相互作用要素（８）と、
   軸のまわりに回転するように構成されたシャフト（４）であって、前記ユーザ相互作用要素（２）と前記流体相互作用要素（８）が一緒に回転するように固定されたシャフト（４）と、
   前記見掛け粘度が制御刺激にしたがって変化する前記流体と、
   壁によって画定され前記流体を収容するチャンバであって、前記流体相互作用要素（８）が前記流体に接した状態で中に配置されたチャンバと、
   前記流体内に磁界（１８）を生成する手段とを備え、
   前記流体相互作用要素（８）が、前記シャフト（４）を取り囲む少なくとも１つの可動相互作用壁（１６）を備え、前記相互作用壁（１６）が、前記ユーザ相互作用要素（２）が固定された前記シャフトの第２の長手方向端の反対側で前記シャフト（４）の第１の長手方向端に固定され、前記第１の端部から前記ユーザ相互作用要素（２）の方に延在し、
   前記シャフト（４）が、前記チャンバの単一壁を貫通し、
   前記シャフトと前記壁の間に配置されて気密通路を形成するシール手段（３８）と、
   前記シール手段（３８）と前記ユーザ相互作用要素との間で前記シャフトのまわりに配置された、前記シャフトの回転をガイドする手段とを備え、
   磁界を生成する前記手段が、前記流体相互作用要素（８）の可動相互作用壁（１６）と前記シャフト４との間に画定された空間内に配置されたコイル（２２）と、前記コイル（２２）内に配置された内側磁気コア（２４）と、前記コイル（２２）外に配置された外側磁気コア（２６）とを備え、前記内側（２４）及び外側磁気コア（２６）が、前記チャンバを少なくとも部分的に画定し、前記コイル（２２）が前記可動相互作用壁（１６）の一部分に面するように配置され、前記外側磁気コアが、前記チャンバの横断壁を形成する半径部分と、前記チャンバの外周壁を形成する軸方向部分とを備えた装置。
2. 前記コイル（２２）が、前記シャフト（４）の前記第１の長手方向端に固定された端と反対側の前記可動相互作用壁（１６）の自由端に面するように配置されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記回転ガイド手段が、前記可動相互作用壁に面する前記流体相互作用要素内に配置されている、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記回転ガイド手段がニードルローラケージを備える、請求項１、２又は３に記載の装置。
5. 前記コイル（２２）が、前記内側磁気コア（２４）の肩部と前記外側磁気コア（２６）の軸受面との間に取り付けられている、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記内側コア（２４）が、環形状であり、前記シャフト（４）が取り付けられた貫通通路（３６）を備え、前記シール手段が前記シャフト（４）と前記貫通通路（３６）の間の気密を保証する、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記回転ガイド手段（４２）が、前記内側磁気コア（２４）の前記貫通通路（３６）内に取り付けられている、請求項６に記載の装置。
8. 前記シール手段（３８）が前記シャフト（４）に形成された溝に取り付けられている、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記チャンバが、前記シャフト（４）が横切る壁と反対側に配置され、かつ取り外し可能に固定された閉鎖板によって形成された壁を備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記流体相互作用要素が、少なくとも２つの同心可動相互作用壁（１６）を備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記チャンバに対して、前記少なくとも２つの同心可動相互作用壁（１６）の間に挿入された固定相互作用壁（２８）を備え、前記固定相互作用壁（２８）が可動相互作用壁（１６）と同心である、請求項１０に記載の装置。
12. 前記固定相互作用壁が非磁性材料で作成された横断インサート（３０）に固定されている、請求項１１に記載の装置。
13. 前記流体相互作用要素（８）が、前記シャフトに対して垂直な底部（１４）を備え、それにより、前記可動相互作用壁（１６）が前記シャフト（４）に固定され、前記底部（１４）が好ましくは非磁性材料で作成されている、請求項１から１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記底部（１４）が、オーバーフローを放出しかつ／又は充填を容易にするように意図された少なくとも１つの貫通孔を備えている、請求項１３に記載の装置。
15. 回転式触覚インタフェースであって、請求項１から１４のいずれか一項に記載の装置と、前記ユーザ相互作用要素の回転運動の特性を測定する測定手段（４４）と、触覚パターンを含む制御ユニットとを備え、前記制御ユニット（ＵＣ）が、前記測定手段と磁界生成手段に接続され、前記測定手段によって出された信号に基づいて選択されたパターンにしたがって磁界生成手段（１８）に命令を生成するように構成された回転式触覚インタフェース。
16. 前記測定手段が、角度位置センサを備えている、請求項１５に記載の触覚インタフェース。

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