JP7300524B2 - 触覚呈示装置 - Google Patents

Description

本発明は、触覚呈示装置に関する。

従来より、タッチパネルに振動素子が取り付けられ、タッチパネルと筐体とが両面テープで固定された電子機器がある（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１４／２０７８５５号

従来の電子機器は、振動素子が取り付けられたタッチパネルと筐体とが両面テープで固定されているため、振動素子の振動が筐体のような基部に伝達されやすい。

そこで、基部への振動の伝達を低減した触覚呈示装置を提供することを目的とする。

本発明の実施の形態の触覚呈示装置は、振動体と、前記振動体と弾性的に接続され、前記振動体の振動に応じて加振される加振対象と、前記加振対象と弾性的に接続される基部と、を備え、前記加振対象の振動に基づく触覚を生体に呈示する触覚呈示装置であって、前記基部は、前記振動体から離隔して配置され、前記基部及び前記加振対象を含む第１振動系の共振周波数は、前記加振対象及び前記振動体を含む第２振動系の共振周波数の２／３倍以下である。

基部への振動の伝達を低減した触覚呈示装置を提供することができる。

実施の形態の触覚呈示装置１００を示す斜視図である。 図１のＡ－Ａ矢視断面図である。 触覚呈示装置１００の分解図である。 ベース１１０及びギャップセンサ１２０を示す図である。 アクチュエータ１３０及び可動部１４０を示す図である。 アクチュエータ１３０を示す分解図である。 触覚呈示装置１００の構成を概略的に示す図である。 加振対象及び基部それぞれにおける振動周波数と加速度との関係を示す図である。 加振対象及び基部それぞれにおける振動周波数と加速度との関係を示す図である。 振動体の質量を変化させたときの加振対象の振動周波数と加速度の関係を示す図である。 振動体の質量を変化させたときの基部の振動周波数と加速度の関係を示す図である。 加振対象及び基部それぞれにおける振動周波数に対する加速度の特性を示す図である。 加振対象及び基部それぞれにおける振動周波数に対する加速度の特性を示す図である。

以下、本発明の触覚呈示装置を適用した実施の形態について説明する。

＜実施の形態＞
図１は、実施の形態の触覚呈示装置１００を示す斜視図である。図２は、図１のＡ－Ａ矢視断面図である。図３は、触覚呈示装置１００の分解図である。

以下では、ＸＹＺ座標系を定義して説明する。また、以下では、説明の便宜上、平面視とはＸＹ面視をいい、Ｚ軸負方向側を下側又は下、Ｚ軸正方向側を上側又は上と称すが、普遍的な上下関係を表すものではない。

触覚呈示装置１００は、ベース１１０、ギャップセンサ１２０、アクチュエータ１３０、可動部１４０、静電センサ１５０、操作パネル１６０、ベゼル１７０、及びネジ１７５を含む。

また、以下では、図１乃至図３に加えて、図４乃至図６を用いて説明する。図４は、ベース１１０及びギャップセンサ１２０を示す図である。図５は、アクチュエータ１３０及び可動部１４０を示す図である。図６は、アクチュエータ１３０を示す分解図である。

触覚呈示装置１００は、さらに、弾性体としてのラバー部材１８０Ｓ、１８０Ｌ、１８０Ｕ（図４及び図５参照）を含む。

ここで、ベース１１０及びベゼル１７０は、触覚呈示装置１００の基礎として外部の物体に取り付けられる基部の一例である。アクチュエータ１３０のマグネット１３４及びホルダ１３５（図６参照）は、振動体の一例である。アクチュエータ１３０のマグネット１３４及びホルダ１３５以外の部分（トップヨーク１３１、ボトムヨーク１３２、駆動コイル１３３、バネ１３６、ネジ１３７、及びワッシャ１３７Ａ（図６参照））、可動部１４０、静電センサ１５０、及び操作パネル１６０は、加振対象の一例である。

基部と加振対象とを含む振動系を、第１振動系と称する。基部の一例（ベース１１０及びベゼル１７０）と、加振対象の一例（アクチュエータ１３０のトップヨーク１３１、ボトムヨーク１３２、駆動コイル１３３、バネ１３６、ネジ１３７、ワッシャ１３７Ａ、可動部１４０、静電センサ１５０、及び操作パネル１６０）と、基部と加振対象とを弾性的に接続する弾性体の一例（ラバー部材１８０Ｓ、１８０Ｌ、１８０Ｕ）とによる振動系は、第１振動系の一例である。

また、振動体と加振対象とを含む振動系を、第２振動系と称する。振動体の一例（アクチュエータ１３０のマグネット１３４及びホルダ１３５）と、加振対象の一例（アクチュエータ１３０のトップヨーク１３１、ボトムヨーク１３２、駆動コイル１３３、バネ１３６、ネジ１３７、ワッシャ１３７Ａ、可動部１４０、静電センサ１５０、及び操作パネル１６０）とによる振動系は、第２振動系の一例である。換言すれば、第２振動系の一例は、アクチュエータ１３０、可動部１４０、静電センサ１５０、及び操作パネル１６０である。

ベース１１０は、一例として樹脂製である。ベース１１０は、平面視で矩形状の部材であり、上側から下側に向けて凹んだ収納部１１０Ａを形成する。また、ベース１１０は、底板１１１、側壁１１２、ガイド１１３、段差部１１４、突出部１１５を有する。

収納部１１０Ａは、ベース１１０の底板１１１及び側壁１１２に囲まれた略直方体状の空間である。収納部１１０Ａには、ギャップセンサ１２０と、アクチュエータ１３０と、可動部１４０の下側の一部とが収納される。これらのうち、ギャップセンサ１２０は、底板１１１の上面に設けられる。

底板１１１は、平面視で矩形状の板状の部分であり、中央に設けられた開口部１１１Ａ、Ｘ方向の両端部に設けられた開口部１１１Ｂ、Ｙ方向の両端部に設けられた開口部１１１Ｃを有する。開口部１１１Ａには、アクチュエータ１３０の下端部が挿入される。アクチュエータ１３０と底板１１１は接触しておらず、間にはギャップが形成される。

開口部１１１Ｂには、可動部１４０のガイド１４５の下端が挿入される。開口部１１１Ｂにおいて、ガイド１４５は底板１１１と接触しておらず、間にはギャップが形成される。

側壁１１２は、底板１１１の四辺から上方向に起立している、平面視で矩形環状の壁部である。±Ｘ方向側でＹ方向に延在する側壁１１２の内側には、ガイド１１３が設けられている。また、側壁１１２の内側と底板１１１との境界部分には、底板１１１よりも上側に上面が位置し、側壁１１２の上面１１２Ａよりも下側に上面が位置する段差部１１４が設けられている。また、側壁１１２の上面１１２Ａには、上面１１２Ａから上側に突出する突出部１１５が設けられている。

ガイド１１３は、触覚呈示装置１００が組み立てられた状態で、可動部１４０のガイド１４５の溝１４５Ａに挿入され、ガイド１４５の下端は、開口部１１１Ｂに挿入される。ガイド１１３は、ベース１１０と可動部１４０との位置合わせのために設けられている。触覚呈示装置１００が組み立てられた状態で、ベース１１０のガイド１１３と、可動部１４０のガイド１４５とは当接せず、間にはギャップが形成される。

段差部１１４は、収納部１１０Ａ内における底板１１１と側壁１１２との境界部分において、平面視で矩形環状に設けられている。段差部１１４の上面には、ラバー部材１８０Ｌ（図４及び図５参照）が設けられる。ラバー部材１８０Ｌは、ラバー（ゴム）製の小さな直方体状の部材であり、弾性を有するゴムの塊である。なお、ラバー部材１８０Ｌは、ゴムの塊で構成されるものに限らず、例えばバネを含む構成であってもよい。ただし、ラバー部材１８０Ｌから音が発生することは好ましくないため、金属製のバネ等を含む構成とするよりも、ゴムで構成する方が好ましい。

図４及び図５には、一例として、８つのラバー部材１８０Ｌを示す。ラバー部材１８０Ｌは、矩形環状の段差部１１４の各辺に相当する区間に、２つずつ設けられている。なお、図３では、ラバー部材１８０Ｌを省略する。

ラバー部材１８０Ｌは、触覚呈示装置１００が組み立てられた状態で、段差部１１４の上面と、可動部１４０の下面との間に弾性変形した状態で設けられ、ベース１１０に対して可動部１４０を弾性的に支持する。

また、平面視でラバー部材１８０Ｌと同じ位置における上方には、ラバー部材１８０Ｕ（図４及び図５参照）が設けられている。ラバー部材１８０Ｕは、ラバー（ゴム）製の小さな直方体状の部材であり、弾性を有するゴムの塊である。ラバー部材１８０Ｕは、ゴムの塊で構成されるものに限らず、例えばバネを含む構成であってもよい。ただし、ラバー部材１８０Ｕから音が発生することは好ましくないため、金属製のバネ等を含む構成とするよりも、ゴムで構成する方が好ましい。図４には、触覚呈示装置１００が組み立てられた状態における８つのラバー部材１８０Ｕの位置を示す。

ラバー部材１８０Ｕは、触覚呈示装置１００が組み立てられた状態で、可動部１４０の上面と、ベゼル１７０のオフセット面１７２との間に弾性変形した状態で設けられ、ベゼル１７０と可動部１４０との間を弾性的に支持する。図４では、ベゼル１７０と可動部１４０を省略するため、ラバー部材１８０Ｕが宙に浮いているように示されている。

突出部１１５は、側壁１１２の上面１１２Ａから上側に突出する壁状の部分であり、平面視で上面１１２Ａの上に矩形環状に設けられている。突出部１１５は、平面視で側壁１１２よりも幅が細く、上面１１２Ａの内側（収納部１１０Ａ側）に設けられている。

±Ｘ方向側でＹ方向に延在する突出部１１５の内側の表面には、ラバー部材１８０Ｓ（図２、図４、及び図５参照）が設けられている。ラバー部材１８０Ｓは、ラバー（ゴム）製の小さな直方体状の部材であり、弾性を有するゴムの塊である。ラバー部材１８０Ｓは、ゴムの塊で構成されるものに限らず、例えばバネを含む構成であってもよい。ただし、ラバー部材１８０Ｓから音が発生することは好ましくないため、金属製のバネ等を含む構成とするよりも、ゴムで構成する方が好ましい。図４及び図５では、一例として、±Ｘ方向側でＹ方向に延在する突出部１１５の内側の表面に４つずつのラバー部材１８０Ｓが設けられている。なお、図３では、ラバー部材１８０Ｓを省略する。

ラバー部材１８０Ｓは、触覚呈示装置１００が組み立てられた状態で、±Ｘ方向側でＹ方向に延在する突出部１１５の内側の表面と、可動部１４０の±Ｘ方向側でＹ方向に延在する側面との間に弾性変形した状態で設けられ、ベース１１０に対して可動部１４０を弾性的に支持する。ラバー部材１８０Ｓは、ベース１１０と可動部１４０とのＸ方向における隙間に設けられることで、可動部１４０をベース１１０に対して±Ｘ方向に振動可能に支持している。

ギャップセンサ１２０は、操作パネル１６０の－Ｚ方向への押圧を検出する検出部の一例である。ギャップセンサ１２０は、可動部１４０の下面とのＺ方向のギャップを検出するセンサである。ギャップセンサ１２０は、一例として、光源と受光素子を内蔵する光学タイプのセンサであり、可動部１４０の下面に照射した光の反射光を受光し、受光素子で反射光が結像する位置の変化に基づいて、可動部１４０の－Ｚ方向への変位を検出する。可動部１４０が－Ｚ方向に変位する際には、静電センサ１５０及び操作パネル１６０も－Ｚ方向に変位するため、可動部１４０の下面の－Ｚ方向の変位を検出することで、静電センサ１５０及び操作パネル１６０の－Ｚ方向の押圧を検出することができる。操作パネル１６０が－Ｚ方向に押圧されると、可動部１４０は、－Ｚ方向に数１０μｍ変位する。

操作パネル１６０の－Ｚ方向への押圧を検出する検出部は、ギャップセンサ１２０には限定されない。検出部は、静電センサ等の非接触の位置検出センサであってもよい。検出部は、操作パネル１６０の上面に加えられた圧力を検出する感圧センサであってもよい。

アクチュエータ１３０は、可動部１４０の下面側にネジ１３７によって固定されている。可動部１４０の下面には、上側に凹んだ凹部が設けられており、アクチュエータ１３０は凹部に取り付けられている。なお、可動部１４０は、凹部を備えていなくてもよく、下面にアクチュエータ１３０が取り付けられていてもよい。

アクチュエータ１３０は、図６に示すように、トップヨーク１３１、ボトムヨーク１３２、駆動コイル１３３、マグネット１３４、ホルダ１３５、バネ（スプリング）１３６、ネジ１３７、及びワッシャ１３７Ａを有する。図５では、トップヨーク１３１は、可動部１４０の下面の凹部の内部にあり、隠れている。

トップヨーク１３１は、磁性体であり、可動部１４０の下面の凹部に取り付けられる板状のヨークである。トップヨーク１３１には、ネジ１３７をＺ方向に挿通させる貫通孔１３１ＡがＸ方向の両端に形成されている。

ボトムヨーク１３２は、磁性体であり、ＸＺ面視でコの字型のヨークである。ボトムヨーク１３２は、トップヨーク１３１と同じ磁性体であることが好ましい。ボトムヨーク１３２の底板１３２Ａの部分には、２つの駆動コイル１３３がＸ方向に並べられた状態で固定される。ボトムヨーク１３２の側壁１３２Ｂの内側の面には、上側のＸ方向の厚さが薄くなるように段差部１３２Ｂ１が設けられている。ボトムヨーク１３２の側壁１３２Ｂの上端は、トップヨーク１３１の両端側に固定される。これにより、トップヨーク１３１とボトムヨーク１３２は、ＸＺ面視でループ状に閉じた磁路を構築する。

また、アクチュエータ１３０の構成要素の中で最も下方に位置するボトムヨーク１３２の底板１３２Ａは、触覚呈示装置１００が組み立てられた状態で、ベース１１０の底板１１１の開口部１１１Ａの内部に挿入される。この状態で、ボトムヨーク１３２は、ベース１１０に接触していない。このため、アクチュエータ１３０は、ベース１１０から離隔して配置されており、換言すれば、ベース１１０は、アクチュエータ１３０から離隔して配置されている。アクチュエータ１３０を振動させたときに、ベース１１０に振動が伝わりにくい構成にするためである。

駆動コイル１３３は、ＸＹ平面内で巻回されたコイルであり、接着又はネジ留め等によってボトムヨーク１３２の底板１３２Ａの上面に固定されている。駆動コイル１３３に平面視で時計回りの電流を流すと、駆動コイル１３３の中心を下向きに貫通する磁束が発生する。また、駆動コイル１３３に平面視で反時計回りの電流を流すと、駆動コイル１３３の中心を上向きに貫通する磁束が発生する。

マグネット１３４は、多極着磁型の永久磁石であり、－Ｘ方向側から＋Ｘ方向側にかけて、配列される４つの極（Ｎ極１３４Ａ、Ｓ極１３４Ｂ、Ｎ極１３４Ｃ、Ｓ極１３４Ｄ）を有する。Ｎ極１３４ＡとＳ極１３４Ｂとの境界は、－Ｘ方向側の駆動コイル１３３のＸ方向の中心よりも＋Ｘ方向側にオフセットしている。また、Ｎ極１３４ＣとＳ極１３４Ｄとの境界は、＋Ｘ方向側の駆動コイル１３３のＸ方向の中心よりも－Ｘ方向側にオフセットしている。

ホルダ１３５は、非磁性体で構成され、マグネット１３４を保持する部材である。ホルダ１３５は、マグネット１３４を保持した状態で、バネ１３６を介してボトムヨーク１３２の側壁１３２Ｂの段差部１３２Ｂ１にネジ留め等で固定される。

バネ１３６は、ホルダ１３５をボトムヨーク１３２に対して弾性的に保持しており、Ｘ方向に伸縮可能である。

ネジ１３７は、トップヨーク１３１を可動部１４０の下面の凹部に固定するために設けられており、ワッシャ１３７Ａを介して可動部１４０の下面の凹部にネジ留めされる。

このようなアクチュエータ１３０において、駆動コイル１３３に平面視で時計回りの電流を流すと、駆動コイル１３３の中心を下向きに貫通する磁束が発生する。このため、駆動コイル１３３の上端側がＳ極になり、Ｎ極１３４Ａ及びＮ極１３４Ｃとの間に磁気的な吸引力が発生し、マグネット１３４には＋Ｘ方向の力が作用する。

また、駆動コイル１３３に平面視で反時計回りの電流を流すと、駆動コイル１３３の中心を上向きに貫通する磁束が発生する。このため、駆動コイル１３３の上端側がＮ極になり、Ｓ極１３４Ｂ及びＳ極１３４Ｄとの間に磁気的な吸引力が発生し、マグネット１３４には－Ｘ方向の力が作用する。

駆動コイル１３３に平面視で時計回りの電流と反時計回りの電流とを交互に流せば、マグネット１３４に＋Ｘ方向の力と、－Ｘ方向の力とを交互に作用させることができる。また、マグネット１３４は、ホルダ１３５と一体となって、バネ１３６を介してボトムヨーク１３２に取り付けられており、バネ１３６はＸ方向に伸縮可能である。

このため、駆動コイル１３３に平面視で時計回りの電流と反時計回りの電流とを交互に流せば、トップヨーク１３１及びボトムヨーク１３２に対して、マグネット１３４及びホルダ１３５をＸ方向に振動させることができる。

アクチュエータ１３０のトップヨーク１３１は、可動部１４０の下面側に固定されており、可動部１４０を加振する。可動部１４０の上側には、静電センサ１５０及び操作パネル１６０が取り付けられているため、アクチュエータ１３０は、可動部１４０、静電センサ１５０、及び操作パネル１６０で構成される加振対象を加振する。

可動部１４０は、一例として樹脂製であり、平面視で矩形状で薄板状の部材である。可動部１４０は、下面にアクチュエータ１３０が取り付けられ、上面側に静電センサ１５０及び操作パネル１６０がこの順に重ねて設けられる。

また、可動部１４０のＸ方向の両側面と、ベース１１０の±Ｘ方向側の突出部１１５の内側の表面との間には、ラバー部材１８０Ｓが圧縮された状態で設けられている。このため、可動部１４０の平面視における四辺に沿った側面は、±Ｘ方向側の側面のみがラバー部材１８０Ｓのみを介してベース１１０に接している。

また、可動部１４０の下面の四辺に沿った端部と、ベース１１０の段差部１１４との間には、ラバー部材１８０Ｌが設けられている。このため、可動部１４０の下面は、ラバー部材１８０Ｌのみを介してベース１１０に接している。

また、可動部１４０の上面の四辺に沿った端部と、ベゼル１７０のオフセット面１７２との間には、ラバー部材１８０Ｕが設けられている。このため、可動部１４０の上面は、ラバー部材１８０Ｕのみを介してベゼル１７０に接している。

なお、可動部１４０のガイド１４５の溝１４５Ａには、ベース１１０との位置合わせのためにガイド１１３が挿入され、ガイド１４５の下端は、ベース１１０の開口部１１０Ｂに挿入されるが、ガイド１４５及びガイド１１３が接触していない。

このため、可動部１４０は、ラバー部材１８０Ｓ、１８０Ｌ、１８０Ｕのみを介してベース１１０及びベゼル１７０に接触している。すなわち、ベース１１０は、可動部１４０と弾性的に接続されている。

静電センサ１５０は、可動部１４０の上面に固定されている。静電センサ１５０の上面及び側面は操作パネル１６０によって覆われており、操作パネル１６０が可動部１４０に対してネジ留め等によって固定されることによって、静電センサ１５０は、可動部１４０の上面に固定されている。

静電センサ１５０は、一例としてタッチパッドであり、操作体による操作パネル１６０への操作の有無と、操作が行われた位置とを静電容量の変化に基づいて検出する。操作体は、例えば、生体の指又は手やスタイラスペンのような道具である。

操作パネル１６０への操作は、操作体によって操作パネル１６０に対して直接行われる場合と、操作パネル１６０の上にさらにカバー等が設けられる場合には、カバー等を介して間接的に行われる場合とがある。

操作パネル１６０は、平面視で矩形状の樹脂製のパネルであり、静電センサ１５０の上面と側面とを覆うように設けられている。静電センサ１５０は、操作パネル１６０を介して操作を検出する。このため、操作パネル１６０は、非金属製であり、一例として樹脂製である。

ベゼル１７０は、平面視で矩形環状の枠状の部材であり、図２に示すように断面はＬ字型である。ベゼル１７０は、下面１７１と、オフセット面１７２とを有する。オフセット面１７２は、下面１７１よりも内側で上側にオフセットしている。下面１７１及びオフセット面１７２は、ともに－Ｚ方向側から見て矩形環状の面である。

ベゼル１７０は、操作パネル１６０から離間して操作パネル１６０を囲むように、ベース１１０の側壁１１２の上面１１２Ａに図示しないラバー部材を介してオフセット面１７２が当接した状態で取り付けられている。ベゼル１７０は、操作パネル１６０から離間しているため、操作パネル１６０には接触していない。また、ベゼル１７０は、可動部１４０にも接触していない。

ベゼル１７０は、ベース１１０の側壁１１２の上面１１２Ａにオフセット面１７２が当接した状態で、ネジ１７５によってベース１１０に固定されている。図３には、一例として、ベース１１０とベゼル１７０の四隅を固定する４つのネジ１７５を示すが、さらに多くのネジ１７５によって固定されていてもよいし、より少ないネジ１７５によって固定されていてもよい。

このような触覚呈示装置１００では、条件（１）として、第１振動系の共振周波数が、第２振動系の共振周波数の２／３倍以下になるようにする。アクチュエータ１３０を振動させたときに、加振対象を十分に加振しつつ、ベース１１０に伝達される振動を低減するためである。

また、このような効果を増大させるために、条件（２）として、振動体の質量を、加振対象の質量以下にしてもよい。

また、条件（３）として、第１振動系の共振周波数を５０Ｈｚ以上にしてもよい。一例として触覚呈示装置１００を車両に搭載することを考えると、車両の走行中に発生するロードノイズ（振動）は５０Ｈｚ以下の周波数が主体であることが分かっている。そこで、ベース１１０を車両の室内のセンターコンソール等に取り付けることによって触覚呈示装置１００を車両に搭載しても、ロードノイズが第１振動系の加振対象の振動に伝達されることを抑制するために、第１振動系の共振周波数を５０Ｈｚ以上にする。換言すれば、第１振動系の振動がロードノイズを起因とする車両振動の影響を受けないようするためである。

また、条件（４）として、第２振動系の共振周波数を８０Ｈｚ以上、３２０Ｈｚ以下の範囲に設定してもよい。人間の感覚器は、８０Ｈｚから３２０Ｈｚの周波数帯の振動を最も知覚しやすいからである。

また、条件（５）として、加振対象をＸ方向に加振し、第１振動系と第２振動系とをＸ方向に沿って振動する振動系にしてもよい。Ｘ方向は、所定の方向の一例である。

また、条件（６）として、第１振動系の共振周波数が、第２振動系の共振周波数の１／３倍以下になるようにしてもよい。これは、条件（１）よりも第１振動系の共振周波数をより好ましい範囲に設定する条件であり、アクチュエータ１３０を振動させたときに、加振対象をより効果的に加振しつつ、ベース１１０に伝達される振動をより効果的に低減するために設ける条件である。

また、条件（７）として、第１振動系におけるばね定数Ｋ、粘性損失Ｃ、加振対象の質量Ｍを用いて次式（１）で表されるＱ値（Quality Factor）が、１以上１０以下であってもよい。

Ｑ＝（ＭＫ）^１／２／Ｃ （１）

図７は、触覚呈示装置１００の構成を概略的に示す図である。第１振動系１０は、基部１１、加振対象１２、及び弾性体１３を含む振動系である。基部１１に対して加振対象１２は弾性体１３を介して接続されている。基部１１は、一例として、ベース１１０及びベゼル１７０を含む。ここでは、基部１１を１枚の板状部材として示す。加振対象１２は、一例として、トップヨーク１３１、ボトムヨーク１３２、駆動コイル１３３、バネ１３６、ネジ１３７、ワッシャ１３７Ａ、可動部１４０、静電センサ１５０、及び操作パネル１６０を含む。ここでは、加振対象１２のうちのトップヨーク１３１、ボトムヨーク１３２、駆動コイル１３３、ネジ１３７、ワッシャ１３７ＡをまとめてＸＺ面視で中央に開口部１２Ａを有する枠状の部材として示す。加振対象１２のうちのバネ１３６をコイル及びダンパのペアとして示す。また、加振対象１２のうちの可動部１４０、静電センサ１５０、及び操作パネル１６０を板状の部材として示す。可動部１４０、静電センサ１５０、及び操作パネル１６０を含む板状の部材の下に、トップヨーク１３１、ボトムヨーク１３２、駆動コイル１３３、ネジ１３７、ワッシャ１３７Ａを含む枠状の部材が固定されている。弾性体１３は、基部１１と加振対象１２とを弾性的に接続しており、一例として、ラバー部材１８０Ｓ、１８０Ｌ、１８０Ｕを含む。ここでは、ラバー部材１８０Ｓ、１８０Ｌ、１８０Ｕをコイル及びダンパのペアとして示す。

また、第２振動系２０は、振動体２１と加振対象１２とを含む振動系である。振動体２１は、一例として、マグネット１３４、ホルダ１３５を含む。ここでは、振動体２１を１つの部材として示し、振動体２１は、加振対象１２の開口部１２Ａの中でバネ１３６によって保持されているように示す。加振対象１２は、一例として、トップヨーク１３１、ボトムヨーク１３２、駆動コイル１３３、バネ１３６、ネジ１３７、ワッシャ１３７Ａ、可動部１４０、静電センサ１５０、及び操作パネル１６０を含むため、第２振動系２０は、アクチュエータ１３０（図６等参照）、可動部１４０、静電センサ１５０、及び操作パネル１６０によって構成される。

駆動コイル１３３に平面視で時計回りの電流を流すと、上述したようにマグネット１３４には＋Ｘ方向の力が作用し、駆動コイル１３３に平面視で反時計回りの電流を流すと、上述したようにマグネット１３４には－Ｘ方向の力が作用する。駆動コイル１３３に平面視で時計回りの電流と反時計回りの電流を交互に流すことにより、マグネット１３４に＋Ｘ方向と－Ｘ方向の力が交互に作用し、加振対象１２を±Ｘ方向に加振することができる。

図８Ａ及び図８Ｂは、加振対象及び基部それぞれにおける振動周波数と加速度との関係を示す図である。図８Ａには、加振対象の振動周波数Ｆａに対する加振対象の加速度を示し、図８Ｂには、基部の振動周波数Ｆｂに対する基部の加速度を示す。加振対象の振動周波数Ｆａは、加振対象がＸ方向に振動するときの周波数である。また、基部の振動周波数Ｆｂは、基部がＸ方向に振動するときの周波数である。

図８Ａ、図８Ｂに示す特性は、シミュレーションにおいて、第１振動系の共振周波数Ｆｃ１を５０Ｈｚ、７５Ｈｚ、１００Ｈｚ、１５０Ｈｚの４種類の共振周波数に設定し、第２振動系の共振周波数Ｆｃ２を１５０Ｈｚに設定することによって得た特性である。すなわち、第１振動系の共振周波数Ｆｃ１が５０Ｈｚ、７５Ｈｚ、１００Ｈｚ、１５０Ｈｚのとき、それぞれ、第２振動系の共振周波数Ｆｃ２に対して１／３倍、１／２倍、２／３倍、１倍となる。図８Ａ、図８Ｂには、振動体の質量を０．０６ｋｇ、加振対象の質量を０．４ｋｇ、基部の質量を１ｋｇとした場合のシミュレーション結果を示す。

第１振動系の共振周波数Ｆｃ１を所定の周波数、例えば５０Ｈｚ、７５Ｈｚ、１００Ｈｚ、１５０Ｈｚの４種類の周波数に設定することは、主に、第１振動系に含まれる加振対象と基部とを弾性的に接続する弾性体（例えば、ラバー部材１８０Ｓ、１８０Ｌ、１８０Ｕ）のバネ定数を設定することによって実現される。また、第１振動系の振動方向はＸ軸方向であるため、第１振動系の共振周波数Ｆｃ１は、ラバー部材１８０Ｓ、１８０Ｌ、１８０Ｕのうち、Ｘ方向に弾性変形し易いラバー部材１８０Ｓのバネ定数によって主に決まる。ラバー部材１８０Ｌ、１８０Ｕは、Ｘ方向には剪断方向の変形になり、Ｘ方向のバネ定数は、ラバー部材１８０ＳのＸ方向のバネ定数の１／１０倍程度だからである。また、厳密には、第１振動系に含まれる加振対象及び基部（例えば、可動部１４０、静電センサ１５０、及び操作パネル１６０）も弾性を有するが、ラバー部材１８０Ｓ、１８０Ｌ、１８０Ｕの弾性に比べると無視できる程度である。

また、第２振動系の共振周波数Ｆｃ２を所定の周波数、例えば１５０Ｈｚに設定することは、主に、アクチュエータ１３０の振動特性と、可動部１４０、静電センサ１５０、及び操作パネル１６０のサイズ及びヤング率等の設定とによって実現される。

図８Ａに示すように、加振対象の加速度は、振動周波数Ｆａが４０Ｈｚ以上６５Ｈｚ以下で極大値を取り、５０Ｈｚ以上１６０Ｈｚ以下で極小値を取り、２００Ｈｚ以上５００Ｈｚ以下で２つ目の極大値（ピーク）を約３０ｄＢの値で取り、さらに高周波数側ではなだらかに低下する特性を示した。加振対象の加速度は、ピークよりも振動周波数Ｆａが高周波数側において、ピークに対する減少が６ｄＢ～８ｄＢ程度に抑えられ、かつ、振動周波数Ｆａの変化による加振対象の加速度の変化が比較的小さいため、加振対象を十分に加振できるとともに、所望の強度で加振させるように設計することが容易である。すなわち、振動周波数Ｆａがピーク付近から高周波数の領域が、加振対象の加振に適した周波数帯である。また、共振周波数Ｆｃ１を５０Ｈｚ、７５Ｈｚ、１００Ｈｚ、１５０Ｈｚと増大するにつれて、極大値、極小値、及びピークをとる振動周波数Ｆａが高周波数側にシフトする傾向を示した。

人間の感覚器は、８０Ｈｚから５００Ｈｚの周波数帯の振動を知覚しやすく、８０Ｈｚから３２０Ｈｚの周波数帯の振動をより知覚しやすい。共振周波数Ｆｃ１が１５０Ｈｚの振動パターンは、極小値が約１５０Ｈｚに生じ、人間の感覚器が知覚しやすい周波数帯で加振対象を加振し難いため、好ましくない。一方、共振周波数Ｆｃ１が１００Ｈｚ、７５Ｈｚ、５０Ｈｚの順に小さくなるにつれて、振動周波数Ｆａの極小値が８０Ｈｚ未満に向かって減少するため、人間が知覚しやすい周波数帯で加振対象を加振しやすくなる点でより好ましくなる。また、共振周波数Ｆｃ１が小さくなるにつれて、振動周波数Ｆａのピークが５００Ｈｚ以下の範囲で減少するため、加振対象の加振に適したピーク付近から高周波の領域を、より広い周波数帯に亘って活用することができる。換言すれば、加振対象を効果的に加振する観点では、共振周波数Ｆｃ１が１００Ｈｚ以下であることが好ましく、７５Ｈｚ以下であることがより好ましく、５０Ｈｚ以下であることがより一層好ましい。

また、図８Ｂに示すように、基部の加速度は、基部の振動周波数Ｆｂが４０Ｈｚ以上６５Ｈｚ以下で極大値を取り、９０Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下で極小値を取り、２００Ｈｚ以上５００Ｈｚ以下で２つ目の極大値を約１０ｄＢの値で取り、さらに高周波数側では減少する特性を示した。共振周波数Ｆｃ１が５０Ｈｚ、７５Ｈｚ、１００Ｈｚのときの基部の加速度は、振動周波数Ｆｂが８０Ｈｚ以上５００Ｈｚ以下では、１０ｄＢ以下であった。

人間の感覚器が知覚しやすい８０Ｈｚから５００Ｈｚの周波数帯では、基部の振動強度は、加振対象の振動強度に比べて２０ｄＢ程度減衰することが分かった。すなわち、第２振動系の共振周波数Ｆｃ２が１５０Ｈｚのとき、第１振動系の共振周波数Ｆｃ１は、５０Ｈｚ、７５Ｈｚ、１００Ｈｚの場合に、基部の振動が減衰されることが分かった。

また、図８Ｂに示すように、人間の感覚器が知覚しやすい８０Ｈｚから５００Ｈｚの周波数帯では、第１振動系の共振周波数Ｆｃ１が小さくなるにつれて、基部の振動強度が減少することが分かった。換言すれば、基部への振動伝達を低減する観点では、共振周波数Ｆｃ１が１００Ｈｚ以下であることが好ましく、７５Ｈｚ以下であることがより好ましく、５０Ｈｚ以下であることがより一層好ましい。

以上より、条件（１）として示したように、第１振動系の共振周波数Ｆｃ１が、第２振動系の共振周波数Ｆｃ２の２／３倍以下、すなわち第１振動系の共振周波数Ｆｃ１を１００Ｈｚ以下になるようにすれば、アクチュエータ１３０を駆動して振動体を振動させたときに、加振対象を十分に加振しつつ、基部に伝達される振動を低減することができることが分かった。

また、第１振動系の共振周波数Ｆｃ１が第２振動系の共振周波数Ｆｃ２の１／２倍以下、すなわち第１振動系の共振周波数Ｆｃ１を７５Ｈｚ以下になるようにすれば、加振対象をより効果的に加振しつつ、基部に伝達される振動をより低減できることが分かった。さらに、条件（６）として示したように、第１振動系の共振周波数Ｆｃ１が第２振動系の共振周波数Ｆｃ２の１／３倍以下、すなわち第１振動系の共振周波数Ｆｃ１が５０Ｈｚ以下になるようにすれば、加振対象をより一層効果的に加振しつつ、基部に伝達される振動をより一層低減できることが分かった。

また、人間の感覚器は、８０Ｈｚから５００Ｈｚの周波数帯の振動を知覚でき、８０Ｈｚから３２０Ｈｚの周波数帯の振動を最も知覚しやすい。このため、第２振動系の共振周波数Ｆｃ２を８０Ｈｚ以上、５００Ｈｚ以下の範囲に設定するとよいが、条件（４）として示したように、第２振動系の共振周波数Ｆｃ２を８０Ｈｚ以上、３２０Ｈｚ以下の範囲に設定するとさらによい。

また、触覚呈示装置１００は、加振対象がＸ方向に加振され、第１振動系と第２振動系とがＸ方向に沿って振動する振動系を有する。これは、条件（５）として示した通りである。アクチュエータ１３０は、図６のように配置される駆動コイル１３３とマグネット１３４を有するため、加振対象がＸ方向に加振され、第１振動系と第２振動系とをＸ方向に沿って振動する構成を容易に実現することができる。

図９は、振動体の質量を変化させたときの加振対象の振動周波数Ｆａと加速度の関係を示す図である。図１０は、振動体の質量を変化させたときの基部の振動周波数Ｆｂと加速度の関係を示す図である。図９及び図１０に示す特性は、シミュレーションにおいて、第１振動系の共振周波数Ｆｃ１を５０Ｈｚ、７５Ｈｚ、１００Ｈｚ、１５０Ｈｚの４種類に設定し、第２振動系の共振周波数Ｆｃ２を１５０Ｈｚに設定することによって得た特性である。

図９及び図１０には、振動体の質量を０．０１ｋｇ、０．０５ｋｇ、０．２ｋｇ、０．８ｋｇ、４ｋｇに段階的に増大させて得た５つのシミュレーション結果をそれぞれ示す。なお、基部の質量は車両に取り付けることを想定して１０ｋｇに設定し、加振対象の質量を０．２ｋｇに設定した。

図９に示すように、振動体の質量を０．０１ｋｇ、０．０５ｋｇ、０．２ｋｇ、０．８ｋｇ、４ｋｇに段階的に増大させたところ、第１振動系の共振周波数Ｆｃ１の変化に対して加振対象の加速度が変化するのは、０．２ｋｇまでで、０．８ｋｇと４ｋｇの場合には殆ど変化が見られなかった。これは、振動体の質量が０．２ｋｇを超えると、すなわち振動体の質量が加振対象の質量を超えると、第１振動系の共振周波数Ｆｃ１を決める主体要因である、基部と加振対象とを弾性的に接続する弾性体（ラバー部材１８０Ｓ、１８０Ｌ、１８０Ｕ）のバネ定数の影響が得られにくくなることを表している。

また、振動体の質量が増大するほど、振動周波数Ｆａに関わらず、加振対象の加速度が全体的に減少する。これは、振動体の質量が加振対象の質量に対して大きくなるほど、振動体に蓄積されるエネルギーが加振対象に蓄積されるエネルギーに対しても大きくなるためと考えられる。

よって、加振対象を効果的に加振する観点では、振動体の質量が加振対象の質量に対して小さいほど好ましく、振動体の質量が加振対象の質量以下であることが特に好ましい。

図１０に示すように、振動体の質量を０．０１ｋｇ、０．０５ｋｇ、０．２ｋｇ、０．８ｋｇ、４ｋｇに段階的に増大させたところ、すべての質量において、第１振動系の共振周波数Ｆｃ１の変化に対して基部の加速度に変化が生じることが分かった。また、８０Ｈｚから５００Ｈｚの帯域では、図９に示す加振対象の加速度に対して、図１０に示す基部の加速度は、十分に低減されていることが分かった。このため、ベース１１０の振動周波数Ｆｂと加速度の関係においては、振動体の質量を０．０１ｋｇ、０．０５ｋｇ、０．２ｋｇ、０．８ｋｇ、４ｋｇのいずれに設定してもよいことが分かった。

したがって、図９及び図１０より、条件（２）として示したように、振動体の質量は、加振対象の質量以下であることが好ましいことが分かった。

図１１Ａ及び図１１Ｂは、加振対象及び基部それぞれにおける振動周波数に対する加速度の特性を示す図である。図１１Ａ及び図１１Ｂには、第１振動系のＱ値を１５、１０、５、２、１と段階的に変化させたときに得られる複数の特性を示す。また、図１１Ａ及び図１１Ｂに示す特性は、シミュレーションにおいて、第１振動系の共振周波数Ｆｃ１を５０Ｈｚ、第２振動系の共振周波数Ｆｃ２を１５０Ｈｚにそれぞれ設定することによって得た特性である。

第１振動系のＱ値は、第１振動系におけるばね定数Ｋ、粘性損失Ｃ、加振対象の質量Ｍを用いて次式（１）で表される。

Ｑ＝（ＭＫ）^１／２／Ｃ （１）

図１１Ａには、加振対象の振動周波数Ｆａに対する加速度の特性を示す。図１１Ａでは、Ｑ値を１５、１０、５、２、１と段階的に変化させると、Ｑ値が大きい方が大きな加速度が得られる傾向が分かった。また、Ｑ値が１５と１０のときは、殆ど差がないことが分かった。これらの傾向は、人間の感覚器が知覚しやすい８０Ｈｚから５００Ｈｚの範囲内で特に顕著であった。よって、加振対象の振動周波数Ｆａに対する加速度の特性からは、Ｑ値が大きいほど好ましいが、Ｑ値を１０より大きくしても効果は小さく、Ｑ値が１でも十分に加振可能であることが分かった。

図１１Ｂには、基部の振動周波数Ｆｂに対する加速度の特性を示す。図１１Ｂでは、Ｑ値を１５、１０、５、２、１と段階的に変化させると、Ｑ値が大きい方が基部の加速度が減少する傾向が分かった。この傾向は、人間の感覚器が知覚しやすい８０Ｈｚから５００Ｈｚの範囲内で特に顕著であった。しかし、ロードノイズの影響を受けやすい、５０Ｈｚ以下の帯域において、Ｑ値が１５の場合に大きな加速度となる極大値が生じることが分かった。また、８０Ｈｚから５００Ｈｚの範囲内において、図１１Ａに示す加振対象の加速度に対して、図１１Ｂに示す基部の加速度が十分に低減できていることが分かった。よって、基部の振動周波数Ｆｂに対する加速度の特性からは、Ｑ値が１０以下の範囲で大きいほど好ましいが、Ｑ値が１でも基部の振動が低減できていることが分かった。

以上、図１１Ａ、図１１Ｂの結果より、条件（７）として示したように、第１振動系のＱ値は、１以上、１０以下であることが好ましいことが分かった。

以上のように、第１振動系の共振周波数Ｆｃ１を第２振動系の共振周波数Ｆｃ２の２／３倍以下になるようすることで、加振対象を十分に加振しつつ、基部に振動が伝わりにくい構成を実現することができる。

したがって、加振対象を十分に加振しつつ、基部への振動の伝達を低減した触覚呈示装置１００を提供することができる。

なお、以上では、静電センサ１５０を用いる形態について説明したが、静電センサ１５０の代わりに光を透過可能なタッチパネルを用いるとともに、タッチパネルにディスプレイパネルを重ねて設け、ディスプレイパネルに表示するＧＵＩ(Graphical User Interface)を押圧操作するようにしてもよい。

また、図８Ａ乃至図１１Ｂでは、第２振動系の共振周波数Ｆｃ２を１５０Ｈｚに設定した場合における加振対象及び／又は基部における振動周波数Ｆｂと加速度について説明したが、共振周波数Ｆｃ２が１５０Ｈｚ以外の場合でも同様であった。

また、以上では、アクチュエータ１３０の振動方向がＸ方向である形態について説明したが、アクチュエータ１３０の振動方向は、Ｘ方向に限られない。例えば、Ｚ方向であってもよいし、その他の方向であってもよい。

以上、本発明の例示的な実施の形態の触覚呈示装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

なお、本国際出願は、２０１９年１２月２７日に出願した日本国特許出願２０１９－２３９８３３号に基づく優先権を主張するものであり、その全内容は本国際出願にここでの参照により援用されるものとする。

１００ 触覚呈示装置
１１０ ベース
１３０ アクチュエータ
１３１ トップヨーク
１３２ ボトムヨーク
１３３ 駆動コイル
１３４ マグネット
１３５ ホルダ
１３６ バネ
１３７ ネジ
１３７Ａ ワッシャ
１４０ 可動部
１５０ 静電センサ
１８０Ｓ、１８０Ｌ、１８０Ｕ ラバー部材

Claims (7)

1. 振動体と、
   前記振動体と弾性的に接続され、前記振動体の振動に応じて加振される加振対象と、
   前記加振対象と弾性的に接続される基部と、
   を備え、前記加振対象の振動に基づく触覚を生体に呈示する触覚呈示装置であって、
   前記基部は、前記振動体から離隔して配置され、
   前記基部及び前記加振対象を含む第１振動系の共振周波数は、前記加振対象及び前記振動体を含む第２振動系の共振周波数の２／３倍以下である、触覚呈示装置。
2. 前記振動体の質量は、前記加振対象の質量以下である、請求項１記載の触覚呈示装置。
3. 前記第１振動系の共振周波数は、５０Ｈｚ以上である、請求項１又は２記載の触覚呈示装置。
4. 前記第２振動系の共振周波数は、８０Ｈｚ以上、３２０Ｈｚ以下である、請求項１乃至３のいずれか一項記載の触覚呈示装置。
5. 前記加振対象は、所定の方向を含む方向に加振され、
   前記第１振動系及び前記第２振動系は、前記所定の方向に沿って振動する振動系である、請求項１乃至４のいずれか一項記載の触覚呈示装置。
6. 前記第１振動系の共振周波数は、前記第２振動系の共振周波数の１／３倍以下である、請求項１乃至５のいずれか一項記載の触覚呈示装置。
7. 前記第１振動系におけるばね定数Ｋ、粘性損失Ｃ、前記加振対象の質量Ｍを用いて次式（１）で表されるＱ値が、１以上１０以下である、請求項１乃至６のいずれか一項記載の触覚呈示装置。
   Ｑ＝（ＭＫ）^１／２／Ｃ （１）

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