JP6777497B2

JP6777497B2 - 力覚呈示装置

Info

Publication number: JP6777497B2
Application number: JP2016208650A
Authority: JP
Inventors: 泰弘小野
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2016-10-25
Filing date: 2016-10-25
Publication date: 2020-10-28
Anticipated expiration: 2036-10-25
Also published as: JP2018072927A

Description

本発明は、力覚呈示装置に関する。

従来の技術として、２つの偏心回転子を有する触力覚提示手段と、２つの偏心回転子における回転方向と位相関係と回転速度とを制御することにより、振動及び／又は振動感覚の周波数と強度を独立して変化させる制御手段と、を備えた触力覚情報提示システムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この触力覚情報提示システムは、感覚特性をマスキング振動によってマスキングすることで、トルク感覚を減少させることができる。このマスキング振動を発生するマスカーは、それによってトルクがマスクされるマスキーである偏心回転子と別な偏心回転子、又はマスキーである偏心回転子である。

特開２００５−１９０４６５号公報

しかし従来の触力覚情報提示システムは、偏心回転子による振動によって感覚特性がマスキングされるので振動感が生じ、操作者が不快感を抱く可能性がある。

従って本発明の目的は、力覚の呈示に伴うマスキングによる不快感を抑制することができる力覚呈示装置を提供することにある。

本発明の一態様は、操作者の触覚とは異なる感覚機能に刺激を与える装置を制御することによって操作指によって操作がなされる操作面を振動させるアクチュエータが生成する振動の一部をマスキングして操作者に力覚を呈示する制御部を備えた力覚呈示装置を提供する。

本発明によれば、力覚の呈示に伴うマスキングによる不快感を抑制することができる。

図１（ａ）は、実施の形態に係る力覚呈示装置の一例が搭載された車両内部の概略図であり、図１（ｂ）は、力覚呈示装置の一例を示すブロック図である。図２（ａ）は、実施の形態に係る力覚呈示装置の振動付加前の基準位置の一例を示す模式図であり、図２（ｂ）は、Ｘ軸の正方向に水平な振動を付加した一例を示す模式図であり、図２（ｃ）は、Ｘ軸の負方向に水平な振動を付加した一例を示す模式図である。図３（ａ）は、実施の形態に係る力覚呈示装置の操作面の変位位置の時間変化の一例を示すグラフであり、図３（ｂ）は、マスク信号の一例を示すグラフである。図４は、実施の形態に係る力覚呈示装置の動作の一例を示すフローチャートである。

（実施の形態の要約）
実施の形態に係る力覚呈示装置は、操作者の触覚とは異なる感覚機能に刺激を与える装置を制御することによって操作指によって操作がなされる操作面を振動させるアクチュエータが生成する振動の一部をマスキングして操作者に力覚を呈示する制御部を備えて概略構成されている。

力覚呈示装置は、振動による触覚の刺激を操作者に与えると共に、触覚とは異なる感覚機能に刺激を与えることによりマスキングを行うので、マスキングを触覚で行う場合と比べて、振動感が低減され、力覚の呈示に伴うマスキングによる不快感を抑制することができる。

[実施の形態]
（力覚呈示装置１の概要）
図１（ａ）は、実施の形態に係る力覚呈示装置の一例が搭載された車両内部の概略図であり、図１（ｂ）は、力覚呈示装置の一例を示すブロック図である。図２（ａ）は、実施の形態に係る力覚呈示装置の振動付加前の基準位置の一例を示す模式図であり、図２（ｂ）は、Ｘ軸の正方向に水平な振動を付加した一例を示す模式図であり、図２（ｃ）は、Ｘ軸の負方向に水平な振動を付加した一例を示す模式図である。図３（ａ）は、実施の形態に係る力覚呈示装置の操作面の変位位置の時間変化の一例を示すグラフであり、図３（ｂ）は、マスク信号の一例を示すグラフである。

図２（ａ）は、振動が付加されていない基準状態であり、紙面の操作面１２０の左端が原点である。図２（ｂ）は、操作面１２０が基準位置からＸ軸の正方向に変位した状態を示している。図２（ｃ）は、操作面１２０が基準位置からＸ軸の負方向に変位した状態を示している。図３（ａ）は、横軸が時間（ｓ）であり、縦軸がＸ方向変位位置（ｍｍ）を示している。なお図３（ａ）では、一例として、操作面１２０が周期０．０１ｓ、振幅０．５ｍｍで振動している様子が図示されている。また図３（ｂ）では、一例として、マスク信号が周期０．００５ｓで出力される様子が図示されている。

なお、以下に記載する実施の形態に係る各図において、図形間の比率は、実際の比率とは異なる場合がある。また図１（ｂ）では、主な信号や情報の流れを矢印で示している。

この力覚呈示装置１は、例えば、図１（ａ）に示すように、車両８に搭載された電子機器を遠隔で操作するものである。この電子機器は、例えば、空調装置、ナビゲーション装置、音楽及び映像再生装置などである。なお力覚呈示装置１は、車載に限定されない。

力覚呈示装置１は、例えば、電子機器の表示部として機能する表示装置８５に表示されたカーソルの移動、表示されたアイコンの選択、決定、ドラッグ、ドロップなどの指示を行うことができるように構成されている。この表示装置８５は、例えば、車両８のセンターコンソール８１に配置されている。

力覚呈示装置１は、図１（ａ）〜図２（ｃ）に示すように、操作指９による操作面１２０に対する操作を検出する検出部としてのタッチパッド１２と、操作面１２０を振動させるアクチュエータ１４と、操作者の触覚とは異なる感覚機能に刺激を与える装置を制御することによってアクチュエータ１４が生成する振動の一部をマスキングして操作者に力覚を呈示する制御部１６と、を備えて概略構成されている。

この制御部１６は、操作指９が操作面１２０を第１の方向に移動している場合、操作面１２０が第１の方向の反対方向である第２の方向に振動するタイミングで感覚機能に刺激を与えて第２の方向の振動をマスキングし、操作指９を第１の方向に誘導するような力覚を呈示するように構成されている。

力覚呈示装置１は、例えば、図２（ａ）に示すように、タッチパッド１２が固定支持部３の上に配置された可動支持部４に支持されている。この固定支持部３は、例えば、タッチパッド１２などを支持可能な樹脂材料や金属材料から形成される。

また可動支持部４は、例えば、樹脂材料や金属材料を用いて形成される。そして可動支持部４は、アクチュエータ１４によってタッチパッド１２が固定支持部３に対して水平方向に変位可能となるような弾性力を有するように構成される。この可動支持部４は、一例として、対向する一対の板ばねが交差するように配置されて構成される。タッチパッド１２は、この可動支持部４によって第１の方向及び第２の方向に変位可能となる。なお変形例として触覚呈示装置１は、タッチパッド１２が任意の方向に変位できるように構成されても良い。

ここで操作者の触覚とは異なる感覚機能に刺激を与える装置は、視覚に対しては発光する発光装置、聴覚に対しては音を出力する出力装置である。

具体的には、操作者の触覚とは異なる感覚機能に刺激を与える装置は、一例として、車両８に搭載された、発光装置としての表示装置８５、及び出力装置としてのスピーカ装置８６の少なくとも一方である。本実施の形態では、スピーカ装置８６を用いて聴覚を刺激することで操作面１２０の振動の一部をマスキングする場合について説明する。このスピーカ装置８６は、例えば、車両８のピラーや左右のドア８２などに複数配置されている。

（タッチパッド１２の構成）
タッチパッド１２は、例えば、操作者の体の一部（例えば、操作指）や専用のペンで操作面１２０に触れることにより、触れた操作面１２０上の位置を検出するタッチセンサである。操作者は、例えば、操作面１２０に操作を行うことにより、接続された電子機器の操作を行うことが可能となる。タッチパッド１２としては、例えば、抵抗膜方式、赤外線方式、静電容量方式などのタッチパネルを用いることが可能である。本実施の形態のタッチパッド１２は、一例として、静電容量方式のタッチパネルである。

このタッチパッド１２は、例えば、図１（ａ）に示すように、車両８の運転席と助手席の間に伸びるフロアコンソール８０に操作面１２０が露出するように配置されている。

またタッチパッド１２は、例えば、操作面１２０の下方に絶縁を保ちながら交差する複数の駆動電極と複数の検出電極を有している。タッチパッド１２は、この複数の駆動電極と複数の検出電極の全ての組み合わせを走査して組み合わせごとの静電容量を読み出し、予め定められたしきい値以上の静電容量に基づいて検出対象が検出された検出点を算出する。

この検出点の算出は、例えば、加重平均を用いて行われる。そしてタッチパッド１２は、全ての組み合わせを走査して検出点の座標を算出し、算出された座標の情報である検出情報Ｓ_１を制御部１６に周期的に出力する。なお検出点の座標は、例えば、操作面１２０に設定されたＸＹ座標系における座標である。このＸＹ座標は、運転席に着座する操作者から見て、左上が原点であり、横軸（車両８の左右方向）がＸ軸、縦軸（車両８の前後方向）がＹ軸である。

（アクチュエータ１４の構成）
アクチュエータ１４は、例えば、図２（ａ）に示すように、タッチパッド１２の裏面１２１側に配置されている。このアクチュエータ１４は、磁石１４１及磁石１４２と、コイル１４３と、を備えて概略構成されている。

磁石１４１及び磁石１４２は、例えば、アルニコ磁石、フェライト磁石、ネオジム磁石などの永久磁石、又は、フェライト系、ネオジム系、サマコバ系、サマリウム鉄窒素系などの磁性体材料と、ポリスチレン系、ポリエチレン系、ポリアミド系、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン（ＡＢＳ）などの合成樹脂材料と、を混合して所望の形状に成形したプラスチックマグネットである。本実施の形態の磁石１４１及び磁石１４２は、ネオジム磁石である。

磁石１４１及び磁石１４２は、タッチパッド１２の裏面１２１に配置されている。磁石１４１は、例えば、裏面１２１側がＮ極となり、固定支持部３側がＳ極となっている。そして磁石１４２は、例えば、裏面１２１側がＳ極となり、固定支持部３側がＮ極となっている。従って磁石１４１及び磁石１４２は、図２（ａ）に示す磁場１４５をコイル１４３に向けて生成している。

コイル１４３は、磁石１４１及び磁石１４２と対向するように固定支持部３に配置されている。このコイル１４３は、制御部１６から出力される駆動信号Ｓ_２に基づく電流Ｉが流れると磁石１４１及び磁石１４２の磁場１４５と作用する磁場１４６を生成する。

コイル１４３は、操作面１２０を上から見て時計回りに電流Ｉが流れる場合、図２（ｂ）に示すように、磁石１４１及び磁石１４２側がＳ極となる磁場１４６を発生させる。タッチパッド１２は、図２（ｂ）に示すように、コイル１４３の磁石１４１及び磁石１４２側がＳ極となるので、コイル１４３側がＮ極となる磁石１４２がコイル１４３の中央に引かれ、固定支持部３に対して右側、つまり第１の方向（Ｘ軸正方向）に移動する。

またコイル１４３は、操作面１２０を上から見て反時計回りに電流Ｉが流れる場合、図２（ｃ）に示すように、磁石１４１及び磁石１４２側がＮ極となる磁場１４６を発生させる。タッチパッド１２は、図２（ｃ）に示すように、コイル１４３の磁石１４１及び磁石１４２側がＮ極となるので、コイル１４３側がＳ極となる磁石１４１がコイル１４３の中央に引かれ、固定支持部３に対して左側、つまり第２の方向（Ｘ軸負方向）に移動する。

駆動信号Ｓ_２が、図３（ａ）に示すように、正弦波である場合、コイル１４３に流れる電流Ｉは、周期的に流れる方向が変わるので、タッチパッド１２が移動する方向も周期的に変化する。なお駆動信号Ｓ_２は、正弦波に限定されず、振幅や周波数が変化しても良いし、離散的な信号であっても良く、三角波などであっても良い。

なおアクチュエータ１４は、上記に限定されず、複数配置されてＹ軸に沿って変位するように構成されても良いし、ピエゾ素子などを用いて構成されても良い。

（制御部１６の構成）
制御部１６は、例えば、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに演算、加工などを行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、半導体メモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）などから構成されるマイクロコンピュータである。このＲＯＭには、例えば、制御部１６が動作するためのプログラムと、パターン情報１６０と、が格納されている。ＲＡＭは、例えば、一時的に演算結果などを格納する記憶領域として用いられる。また制御部１６は、その内部にクロック信号を生成する手段を有し、このクロック信号に基づいて動作を行う。

制御部１６は、タッチパッド１２が操作を検出した場合、検出情報Ｓ_１に基づいて操作情報Ｓ_４を操作対象の電子機器に出力する。

制御部１６は、操作面１２０を振動させ、その一部をマスキングすることにより、摩擦感、抵抗感、粗さ感、形状感、質感、衝突感、誘導感などの操作感を操作者に与える。制御部１６は、例えば、この操作感を生成する振動パターンの情報であるパターン情報１６０を有し、このパターン情報１６０に基づいて駆動信号Ｓ_２及びマスク信号Ｓ_３を生成する。なおパターン情報１６０は、関数などに基づいて生成される。

また制御部１６は、パターン情報１６０に基づいて操作指９を誘導する力覚を呈示するように構成されている。以下では、この力覚について説明する。なお操作面１２０は、例えば、図２（ｂ）〜図３（ｂ）に示すように、操作指９のなぞり操作の方向（Ｘ軸の正方向）に応じてＸ軸の正方向（第１の方向）及びＸ軸の負方向（第２の方向）に振動する。

制御部１６は、図２（ｂ）及び図３（ａ）に示すように、操作指９が操作面１２０をＸ軸の正方向に移動すると、パターン情報１６０に応じて駆動信号Ｓ_２を生成してアクチュエータ１４に出力して操作面１２０を振動させる。図３（ａ）では、Ｘ軸の正方向の振動を振動ａ、負方向の振動を振動ｂで示している。

なお変形例として図３（ａ）及び図３（ｂ）では、駆動信号Ｓ_２の振動方向の切り替わりのタイミングでマスク信号Ｓ_３を出力しているが実験やシミュレーションによって知覚時間の違いなどを考慮し、このタイングから少しずれたタイミングでマスク信号Ｓ_３を出力するように制御部１６が構成されても良い。この変形例では、より不快な振動感を抑制することができる。

制御部１６は、図２（ｃ）、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、操作面１２０が負方向の振動を始めると（振動ｂ）、マスク信号Ｓ_３をスピーカ装置８６に出力する。この際にスピーカ装置８６から出力される音は、一例として、「ブーッ」というようなビープ音であるが、これに限定されない。なお出力される音は、例えば、衝突感が呈示される場合、何かが衝突した音、摩擦感が呈示される場合、何かを擦り合わせた音、節度感が呈示される場合、機械的に節度を生成する際に生じる「カチッ」というような音などである。

操作面１２０は、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、なぞり操作が検出されている間、振動ａ及び振動ｂを周期的に繰り返す。制御部１６は、振動ｂをマスクするように周期的に音を出力させるので、操作者に操作面１２０の負方向の振動を感じさせず、あたかも正方向にだけ操作面１２０が振動しているように感じさせて正方向に操作指９が誘導されるような力覚を呈示することができる。

なお視覚によってマスクする場合、一例として、フラッシュが焚かれるように表示装置８５や他の発光装置を点灯させる。他の発光装置は、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子などを用いて操作者の視界に配置される。

以下に、本実施の形態の力覚呈示装置１の力覚を呈示する動作の一例について図４のフローチャートに従って説明する。

（動作）
力覚呈示装置１の制御部１６は、車両８の電源が投入されると、周期的にタッチパッド１２から検出情報Ｓ_１を取得する。制御部１６は、検出情報Ｓ_１に基づいてステップ１の「Ｙｅｓ」が成立する、つまり操作指９によるなぞり操作が検出された場合（Ｓｔｅｐ１：Ｙｅｓ）、操作情報Ｓ_４を出力すると共に、操作方向を判定する（Ｓｔｅｐ２）。

次に制御部１６は、判定した操作方向とパターン情報１６０に基づいて駆動信号Ｓ_２及びマスク信号Ｓ_３を生成してアクチュエータ１４とスピーカ装置８６に出力して力覚を呈示する（Ｓｔｅｐ３）。

次に制御部１６は、ステップ４の「Ｙｅｓ」が成立する、つまりなぞり操作が終了した場合（Ｓｔｅｐ４：Ｙｅｓ）、駆動信号Ｓ_２及びマスク信号Ｓ_３の出力を停止して力覚の呈示を終了する（Ｓｔｅｐ５）。

（実施の形態の効果）
本実施の形態に係る力覚呈示装置１は、力覚の呈示に伴うマスキングによる不快感を抑制することができる。具体的には、力覚呈示装置１は、振動による触覚の刺激を操作者に与えると共に、触覚とは異なる感覚機能に刺激を与えることによりマスキングを行うので、マスキングを触覚で行う場合と比べて、振動感が低減され、力覚の呈示に伴うマスキングによる不快感を抑制することができる。また力覚呈示装置１は、不快感が抑制されるので、力覚の認知性を高めることができる。

力覚呈示装置１は、車両８に搭載された表示装置８５及びスピーカ装置８６を用いて力覚を呈示することができるので、製造コストを抑制することができる。

力覚呈示装置１は、触覚とは異なる感覚機能によってマスキングを行うことにより、触覚を用いてマスキングを行う場合やマスキングを行わない場合と比べて、摩擦感、抵抗感などの多様な操作感を操作者に与えることができる。

他の実施の形態に係る力覚呈示装置１は、発光装置と出力装置を組み合わせてマスキングを行うように構成される。

以上、本発明のいくつかの実施の形態及び変形例を説明したが、これらの実施の形態及び変形例は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。これら新規な実施の形態及び変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。また、これら実施の形態及び変形例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態及び変形例は、発明の範囲及び要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…力覚呈示装置、３…固定支持部、４…可動支持部、８…車両、９…操作指、１２…タッチパッド、１４…アクチュエータ、１６…制御部、８０…フロアコンソール、８１…センターコンソール、８２…ドア、８５…表示装置、８６…スピーカ装置、１２０…操作面、１２１…裏面、１４１，１４２…磁石、１４３…コイル、１４５，１４６…磁場、１６０…パターン情報

Claims

操作者の触覚とは異なる聴覚に刺激を与える音を出力する出力装置を制御することによって操作指によって操作がなされる操作面を振動させるアクチュエータが生成する振動の一部をマスキングして前記操作者に力覚を呈示する制御部を備えた力覚呈示装置。
操作指による操作面に対する操作を検出する検出部と、
前記操作面を振動させるアクチュエータと、
操作者の触覚とは異なる聴覚に刺激を与える音を出力する出力装置と、
前記出力装置を制御することによって前記アクチュエータが生成する前記振動の一部をマスキングして前記操作者に力覚を呈示する制御部と、
を備えた力覚呈示装置。
前記制御部は、前記操作指が前記操作面を第１の方向に移動している場合、前記操作面が前記第１の方向の反対方向である第２の方向に振動するタイミングで前記聴覚に刺激を与えて前記第２の方向の振動をマスキングし、前記操作指を前記第１の方向に誘導するような前記力覚を呈示する、
請求項１又は２に記載の力覚呈示装置。
前記制御部は、発光する発光装置と前記出力装置を組み合わせてマスキングを行う、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の力覚呈示装置。