特開 2024-142127 触覚提示装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024142127

(43)【公開日】2024-10-10

(54)【発明の名称】触覚提示装置

(51)【国際特許分類】

   G05G 5/03 20080401AFI20241003BHJP

   G06F 3/01 20060101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

G05G5/03 Z

G06F3/01 560

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023054149

(22)【出願日】2023-03-29

(71)【出願人】

【識別番号】000142595

【氏名又は名称】株式会社栗本鐵工所

(74)【代理人】

【識別番号】110003801

【氏名又は名称】ＫＥＹ弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】上坂 彰朗

(72)【発明者】

【氏名】赤岩 修一

【テーマコード（参考）】

3J070

5E555

【Ｆターム（参考）】

3J070AA03

3J070AA06

3J070AA07

3J070BA19

3J070BA51

3J070CA42

3J070CB02

3J070CB37

3J070CC71

5E555AA08

5E555BA38

5E555BB38

5E555BC04

5E555CA10

5E555CB19

5E555CC01

5E555DA24

5E555DD06

5E555FA00

(57)【要約】

【課題】操作者が操作中に変位部を変位させる動作を止めても、操作者に触覚を提示することができる触覚提示装置を提供すること。
【解決手段】基部２と、基部２に対して変位するように設けられた変位部３と、変位部３の変位に対して付与する抵抗を発生する抵抗発生部５と、変位部３と抵抗発生部６とを連動させる連動機構７と、リニア振動を発生する振動発生部４と、を備える。抵抗発生部６は、基部２と一体に固定された非回転部６２と、非回転部６２に対して回転可能に設けられた回転部６１と、非回転部６２と回転部６１の相対回転に対し抵抗を付与する回転抵抗発生機構と、を有する。連動機構７は、変位部３と抵抗発生部６の回転部６１とを連動させる。振動発生部４は、連動機構７を構成する部材のうち、変位部３に連結された変位部連結部材７１に対して、変位部３に振動が伝わるようにリニア振動を付与する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基部と、
前記基部に対して変位するように設けられた変位部と、
前記変位部の変位に対して付与する抵抗を発生する抵抗発生部と、
前記変位部と前記抵抗発生部とを連動させる連動機構と、
リニア振動を発生する振動発生部と、
を備え、
前記抵抗発生部は、
前記基部と一体に固定された非回転部と、
前記非回転部に対して回転可能に設けられた回転部と、
前記非回転部と前記回転部の相対回転に対し抵抗を付与する回転抵抗発生機構と、
を有し、
前記連動機構は、前記変位部と前記抵抗発生部の前記回転部とを連動させ、
前記振動発生部は、前記連動機構を構成する部材のうち、前記変位部に連結された変位部連結部材に対して、前記変位部に振動が伝わるようにリニア振動を付与する、
ことを特徴とする触覚提示装置。

【請求項2】

請求項１に記載の触覚提示装置であって、
前記振動発生部は、前記変位部連結部材に対して、非対称なリニア振動を付与することを特徴とする触覚提示装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載の触覚提示装置であって、
前記連動機構は、
一端側が前記変位部に回転自在に連結された、前記変位部連結部材としての第１リンク部材と、
一端側が前記第１リンク部材の他端側に回転自在に連結され、他端側が前記抵抗発生部の前記回転部と一体に回転するように設けられた第２リンク部材と、
を有し、
前記振動発生部は、前記第１リンク部材に固定され、リニア振動方向を前記第１リンク部材の力の伝達方向と同じ方向に向けて非対称なリニア振動を発生する、
ことを特徴とする触覚提示装置。

【請求項4】

請求項１または２に記載の触覚提示装置であって、
前記変位部の所定位置からの変位量に基づいて、前記抵抗発生部が前記変位部に付与する変位抵抗と、前記振動発生部が発生するリニア振動とを制御する制御部をさらに備えることを特徴とする触覚提示装置。

【請求項5】

請求項１または２に記載の触覚提示装置であって、
前記基部は、操作者に保持される保持部であり、
前記変位部は、前記操作者の操作によって、前記保持部に対して変位するように設けられており、
前記抵抗発生部の前記非回転部は、前記保持部に固定されている、
ことを特徴とする触覚提示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、操作者が変位部を変位させる操作を行う際に、操作者に触覚を提示する触覚提示装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、操作者が変位部を変位させる際に、操作者に所望の触覚を提示する触覚提示装置（同文献では「力覚提示装置」と称している。）が開示されている。同文献の触覚提示装置は、所望の触覚を提示するために、変位部が変位する際に変位部に抗力を与える回転抵抗発生部を備えている。回転抵抗発生部は、内部に封入された磁気粘性流体と、磁気粘性流体に磁場を付与する電磁石とを備えており、外部から電磁石に印加される電流値が制御されることにより、操作部に付与される抵抗が制御されるようになっている。また、同文献１には、操作者に様々な触覚を提示するために、回転抵抗発生部の電磁石に供給する電流をＯＮ／ＯＦＦ制御したり、回転抵抗発生部の電磁石に供給する電流値を周期的若しくは非周期的に変動させることなどが開示されている。

【0003】

特許文献２、３には、非対称運動（非対称なリニア振動）を行う振動子を用いて擬似的な力覚を利用者に提示する擬似力覚発生装置が開示されている。非対称運動を行う振動子は、永久磁石が発生する磁界と、コイルが発生する磁界とを利用して永久磁石を運動部材としてリニア振動させるようになっている。擬似力覚発生装置では、一方または他方へ牽引される疑似的な力覚を発生することができる。例えば、特許文献３には、コイルに印加される電圧の波形が正側と負側とで非対称となるようにすることで、一方または他方へ牽引される疑似的な力覚を発生させることが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１９－１８５１７５号公報

【特許文献2】国際公開第２０１７／１１５７２９号

【特許文献3】特開２０１２－０３４５６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、特許文献１に開示された触覚提示装置では、回転抵抗発生部が生じる抵抗力によって触覚を生じることから、操作者が変位部を押し込んで変位させている時には、触覚が提示されるものの、操作者が変位部に対する押込み動作を止めて変位部の変位が止まった時には、操作者に触覚が提示されない。

【0006】

したがって、特許文献１に記載の触覚提示装置では、指で押し込んでいる最中に反発力を生じるが、押込み動作を止めると反発力を生じない、粘土のような物体の触覚を疑似することはできるものの、押込み動作を止めても反発力を生じる、ゴムボールやスポンジのような物体の触覚を疑似することは困難である。

【0007】

本発明は、上記の課題に鑑みて創案されたものであり、操作者が操作中に変位部を変位させる動作を止めても、操作者に触覚を提示することができる等、複合的に触覚を表現可能な触覚提示装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の第１の態様に係る触覚提示装置は、基部と、前記基部に対して変位するように設けられた変位部と、前記変位部の変位に対して付与する抵抗を発生する抵抗発生部と、前記変位部と前記抵抗発生部とを連動させる連動機構と、リニア振動を発生する振動発生部と、を備える。前記抵抗発生部は、前記基部と一体に固定された非回転部と、前記非回転部に対して回転可能に設けられた回転部と、前記非回転部と前記回転部との相対回転に対し抵抗を付与する回転抵抗発生機構と、を有する。前記連動機構は、前記変位部と前記抵抗発生部の前記回転部とを連動させる。前記振動発生部は、前記連動機構を構成する部材のうち、前記変位部に連結された変位部連結部材に対して、前記変位部に振動が伝わるようにリニア振動を付与する。

【0009】

本発明の第２の態様に係る触覚提示装置は、前記構成を備える触覚提示装置において、前記振動発生部は、前記変位部連結部材に対して、非対称なリニア振動を付与する。

【0010】

本発明の第３の態様に係る触覚提示装置は、第１又は第２の態様に係る触覚提示装置において、前記連動機構は、一端側が前記変位部に回転自在に連結された、前記変位部連結部材としての第１リンク部材と、一端側が前記第１リンク部材の他端側に回転自在に連結され、他端側が前記抵抗発生部の前記回転部と一体に回転するように設けられた第２リンク部材と、を有する。前記振動発生部は、前記第１リンク部材に固定され、リニア振動方向を前記第１リンク部材の力の伝達方向と同じ方向に向けて非対称なリニア振動を発生する。

【0011】

本発明の第４の態様に係る触覚提示装置は、第１～第３の何れか１態様に係る触覚提示装置において、前記変位部の所定位置からの変位量に基づいて、前記抵抗発生部が前記変位部に付与する変位抵抗と、前記振動発生部が発生するリニア振動とを制御する制御部をさらに備える。

【0012】

本発明の第５の態様に係る触覚提示装置は、第１～第４の何れか１態様に係る触覚提示装置において、前記基部は、操作者に保持される保持部であり、前記変位部は、前記操作者の操作によって、前記保持部に対して変位するように設けられており、前記抵抗発生部の前記非回転部は、前記保持部に固定されている。

【発明の効果】

【0013】

本発明に係る触覚提示装置によれば、操作者が操作中に変位部を変位させる動作を止めても、操作者に触覚を提示することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本実施形態に係る触覚提示装置の側面と、触覚提示装置を操作する操作者の手とを示す図である。

【図2】本実施形態に係る触覚提示装置の部分断面図である。第１リンク部材の一部、および第２リンク部材の図示は省略している。

【図3】本実施形態に係る触覚提示装置の側面である。（ａ）は、変位部が基部側に押し込まれた状態を示し、（ｂ）は、変位部が基部側に押し込まれる前の状態を示す。

【図4】回転抵抗発生部の一例を示す断面図および制御装置の機能ブロックを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施の形態に係る触覚提示装置について、図面を参照しつつ説明する。図１～図３に示すように、本実施形態に係る触覚提示装置１は、操作者の手に収まる形状および大きさに形成されており、操作者は、触覚提示装置１を手に持ちながら操作することができる。

【0016】

触覚提示装置１は、基部２、変位部３、振動発生部４、抵抗発生部６、連動機構７、変位量検知部８、制御装置９、バッテリ１０等を備えている。

【0017】

基部２は、本実施形態では、触覚提示装置１の操作者の手に保持される保持部である。また、基部２は、本実施形態では、抵抗発生部６、変位量検知部８、制御装置９およびバッテリ１０を収容するケーシングでもある。

【0018】

変位部３は、操作者の操作によって基部２に対して変位するように設けられている。この変位部３は、一端部に設けられた支軸３１回りに回動して基部２に対して接近又は離反するようになっている。変位部３は、円弧状に湾曲した湾曲板を含んで構成されている。変位部３が操作者の操作力によって変位すると、その操作力は、連動機構７を介して、抵抗発生部６の回転部６１に伝達される。

【0019】

操作者は、例えば、図１に示すように、親指の上に基部２を保持しながら、人差指で変位部３を押し込む操作をすることができる。また、図示しないが、操作者は、基部２の両側面を親指と中指で挟み持つことによって保持しながら、人差指で変位部３を押し込む操作をすることもできる。

【0020】

変位部３は、所定範囲内で変位できるように構成されている。本実施形態では、変位部３を押し込んだ後、元の位置に復帰させるためのリターンスプリング等が設けられていない。このため、触覚提示装置１を使用するに当たっては、例えば図１に示すように、操作者の指先と変位部３とを面ファスナー付結束具３２を使用して結束してもよい。そうすることで、操作者は、変位部３を指先によって基部２側に押し込んだ後、再び元の位置に容易に引き戻すことができる。もちろん、触覚提示装置１に上記リターンスプリング等が設けられていてもよい。

【0021】

連動機構７は、変位部３と抵抗発生部６の回転部６１とを連動させるために設けられている。連動機構７は、図１および図２に示すように、第１リンク部材７１、第２リンク部材７２およびボス部材７３を備えている。第１リンク部材７１は、一端部が変位部３の裏面に回転自在に連結され、他端部が第２リンク部材７２の先端部に回転自在に連結されている。第２リンク部材７２の基端部は、図２に示す略有底円筒状のボス部材７３の外周面に固定されている。ボス部材７３は、ワンウェイクラッチ７４およびベアリング７６を介して抵抗発生部６の回転部６１の回転軸６１１に取り付けられている。また、ボス部材７３は別のベアリング７５を介して基部２内に回転自在に支持されている。

【0022】

上記のワンウェイクラッチ７４は、操作者によって変位部３が基部２側に押し込まれる際に、変位部３から連動機構７を介して伝達される操作力を抵抗発生部６の回転部６１（回転軸６１１）に伝達する。一方、操作者によって変位部３が基部２側から引き戻される際は、ワンウェイクラッチ７４は、変位部３から連動機構７を介して伝達される操作力を抵抗発生部６の回転部６１（回転軸６１１）に伝達しない。

【0023】

振動発生部４は、対象または非対称なリニア振動を発生することができる。振動発生部４は、変位部３に回転自在に連結された第１リンク部材７１に対して、変位部３に振動が伝わるように対象または非対称なリニア振動を付与するように設けられている。本実施形態では、振動発生部４は、そのリニア振動方向を第１リンク部材７１の力の伝達方向と同じ方向に向けた状態で、第１リンク部材７１に固定されている。なお、第１リンク部材７１の力の伝達方向は、第１リンク部材７１と変位部３との連結中心と、第１リンク部材７１と第２リンク部材７２との連結中心とを結ぶ線分の方向と一致する。

【0024】

抵抗発生部６は、変位部３の変位に対して付与する抵抗を発生する。抵抗発生部６は、基部２と一体に固定された非回転部６２と、非回転部６２に対して回転可能に設けられた回転部６１と、回転部６１と非回転部６２の相対回転に対し抵抗を付与する抵抗発生機構とを有する。本実施形態では、この抵抗発生機構は、非回転部６２と回転部６１との間に介在する磁気粘性流体６３と、磁気粘性流体６３に印加する磁場を発生する磁場発生部６４とを有する。磁場発生部６４は、磁気粘性流体６３に対して印加する磁場の強さを変化させることができ、その磁場の強さを変えることにより、非回転部６２に対する回転部６１の回転抵抗を変化させることができる。また、回転部６１は連動機構７を介して変位部３と連動するため、磁場発生部６４が磁気粘性流体６３に印加する磁場の強さを変えることにより、変位部３に対して付与する変位抵抗を変化させることができる。

【0025】

抵抗発生部６の具体的な構成例を図４に基づいて説明する。図４に示す抵抗発生部６は、回転軸６１１、円板６１２、ヨーク６２１，６２２、コイル６２３、磁気粘性流体６３、ケーシング６２４等で構成されている。このうち、ヨーク６２１，６２２、コイル６２３およびケーシング６２４は、基部２に固定される非回転部６２を構成し、回転軸６１１および円板６１２は、非回転部６２に対して回転する回転部６１を構成する。

【0026】

円板６１２は、その裏面６１２ｂの中心部に回転軸６１１が垂直に接続され、回転軸６１１と一体に回転する。回転軸６１１は、ベアリング６２６を介してヨーク６２２に設けられた軸穴６２７に支持されている。なお、円板６１２には磁性体が用いられることが望ましく、回転軸６１１には非磁性体が用いられることが望ましい。

【0027】

ヨークは、第１ヨーク６２１および第２ヨーク６２２で構成されている。第１ヨーク６２１は、円板６１２の表面６１２ａに対して微小隙間を介して対向しており、円板状の部材で構成されている。この第１ヨーク６２１は、円筒状のケーシング６２４に嵌め込まれて固定されている。

【0028】

第２ヨーク６２２は、円板６１２の裏面６１２ｂに対して微小隙間を介して対向する対向面６２２ａを有する。この第２ヨーク６２２も円筒状のケーシング６２４の内側に嵌め込まれて固定されている。

【0029】

なお、第１ヨーク６２１の中心部に形成された凹部と、回転軸６１１の端面の中心に形成された凹部とで形成されるスペースに非磁性体からなる球体６２８が収容されている。

【0030】

コイル６２３は、第２ヨーク６２２に形成された環状の溝に沿って配設されている。このコイル６２３には、制御装置９の後述する制御部９２によって制御された電流が入力される。

【0031】

磁気粘性流体６３は、円板６１２と、第１ヨーク６２１および第２ヨーク６２２との隙間に封入されている。この磁気粘性流体６３は、磁性粒子を分散媒に分散させてなる液体である。磁性粒子として、例えばナノサイズの金属粒子（金属ナノ粒子）からなるものを使用することができる。磁性粒子は磁化可能な金属材料からなり、金属材料に特に制限はないが軟磁性材料が好ましい。軟磁性材料としては、例えば鉄、コバルト、ニッケル及びパーマロイ等の合金が挙げられる。分散媒は、特に限定されるものではないが、一例として疎水性のシリコーンオイルを挙げることができる。磁気粘性流体における磁性粒子の配合量は、例えば３～４０ｖｏｌ％とすることができる。磁気粘性流体にはまた、所望の各種特性を得るために、各種の添加剤を添加することも可能である。

【0032】

なお、抵抗発生部６の構成のうち、第１ヨーク６２１、第２ヨーク６２２およびコイル６２３は、磁気粘性流体６３に磁場を印加する磁場印加部としても機能する。

【0033】

上記構成を備える抵抗発生部６において、コイル６２３に電流が印加されると、例えば図４に示す矢印Ｐが示す方向に沿って円板６１２、第１ヨーク６２１、第２ヨーク６２２内に磁路が形成される。この磁路は、円板６１２の表面６１２ａと第１ヨーク６２１との隙間に介在する磁気粘性流体６３、および、円板６１２の裏面６１２ｂと第２ヨーク６２２との隙間に介在する磁気粘性流体６３を貫通する。これにより、磁気粘性流体６３には、磁場の強さに応じた粘度（ずり応力）が発現し、円板６１２とヨーク６２１，６２２との間で伝達されるトルクが磁場の強さに応じて大きくなる。すなわち、抵抗発生部６は、コイル６２３に印加される電流値（磁場印加部が印加する磁場の大きさ）に応じた大きさの抵抗を連動機構７を介して変位部３に変位抵抗として付与する。

【0034】

変位量検知部８（図２参照）は、その入力部８１がボス部材７３と回転一体に連結されている。変位量検知部８は、ボス部材７３の所定位置からの回転量（変位量）を検出し、その検出信号を制御装置９に送信する。この変位量検知部８として、例えば、エンコーダ又は可変抵抗器を用いることができる。

【0035】

制御装置９は、例えば、マイクロコンピュータ等を用いて構成されている。制御装置９は、例えば図４に示すように、無線通信部９０、触覚情報記憶部９１および制御部９２を有する。

【0036】

無線通信部９０は、外部から無線通信により触覚情報や触覚提示装置１を制御するための制御情報を受信する。

【0037】

触覚情報記憶部９１は、外部から受信した触覚情報または予め格納された触覚情報を記憶している。

【0038】

制御部９２は、抵抗発生部６および振動発生部４に供給する電流を制御する。制御部９２は、触覚情報記憶部９１に記憶された触覚情報に基づいて、抵抗発生部６に供給する電流と振動発生部４に供給する電流とを制御する。また、制御装置９は、変位量検知部８から受信する情報に基づいて変位部３の所定位置からの変位量を検知し、検知した変位量に基づいて、あるいは検知した変位量と触覚情報記憶部９１に記憶された触覚情報とに基づいて抵抗発生部６に供給する電流と振動発生部４に供給する電流とを制御する。言い換えれば、制御装置９は、変位部３の所定位置からの変位量に基づいて、あるいは当該変位量と触覚情報とに基づいて抵抗発生部６が変位部３に付与する変位抵抗と、振動発生部４が発生するリニア振動とを制御し、変位部３を操作する操作者に様々な触覚を提示する。例えば、制御部９２は、振動発生部４が非対称なリニア振動を生じるように振動発生部４に供給する電流を制御することで、変位部３が操作者に対して押込み方向または押込み方向と反対方向へ牽引されるような疑似的な触覚を与えることもできる。

【0039】

バッテリ１０は、制御装置９、振動発生部４および抵抗発生部６に供給する電力を蓄電している。

【0040】

以上の構成を備える触覚提示装置１によれば、制御部９２が抵抗発生部６（のコイル６２３）に電流を供給し、その電流を変化させることにより、操作者が変位部３を押し込む際に操作者に対して触覚を提示することができる。このとき、抵抗発生部６に供給される電流の大きさを制御することによって、操作者の手指に様々な触覚を提示することができる。例えば、抵抗発生部６に供給する電流値を周期的もしくは非周期的に変動させることや、変位部３の変位量に応じて抵抗発生部６に供給する電流値を変化させること、によって操作者の手指に様々な触覚を提示することができる。

【0041】

また、制御部９２が抵抗発生部６に電流を供給するとともに、振動発生部４にも電流を供給してリニア振動を生じさせることにより、更に様々な触覚を操作者に提示することができる。例えば、操作者が変位部３を押し込んで変位させている途中で、その押込操作を止めても、操作者の手指には、振動発生部４が生じる振動が伝達されるため、操作者には引き続き触覚が提示される。

【0042】

また、制御部９２が振動発生部４に対して、非対称なリニア振動を生じるように電流を供給すれば、操作者が変位部３を押し込んで変位させている途中で、その押込操作を止めても、操作者の手指を押し返すような疑似的な触覚、あるいは、操作者の手指を押込み方向に引き込むような疑似的な触覚を提示することもできる。

【0043】

＜他の実施形態＞
既述した実施形態に係る触覚提示装置１の外観形状および大きさは例示に過ぎず、触覚提示装置１が手に収まらない大きさおよび形状であってもよい。また、触覚提示装置１は、机上に置いて使用する形態であってもよい。

【0044】

既述した実施形態においては、抵抗発生部６として磁気粘性流体６４を用いたものを例示したが、抵抗発生部６は、磁気粘性流体６４を用いたものに限定されない。例えば、抵抗発生部６として、電磁モータや超音波モータ等の電動モータを採用することも可能である。電動モータの回転軸を回転部６１、電動モータのケーシングを非回転部６２とし、電動モータの回転トルクによって、変位部３に変位抵抗を付与し、ユーザに触覚を提示することができる。なお、この電動モータが提示する触覚はユーザが変位部３を押し込む際だけでなく、押込操作を止めている際にも提示されてもよい。電動モータを採用することで、例えば、振動発生部４がトントンというたたくような触覚を提示するとともに、抵抗発生部６がゆっくりと操作者の手指を押し返すような触覚を提示することなど、複合的に様々な触覚を提示することができる。

【産業上の利用可能性】

【0045】

本発明は、例えば、操作者が変位部を変位させる操作を行う際に、操作者に触覚を提示する触覚提示装置に適用可能である。

【符号の説明】

【0046】

１ 触覚提示装置
２ 基部（保持部、ケーシング）
３ 変位部
４ 振動発生部
６ 抵抗発生部
７ 連動機構
８ 変位量検知部
６１ 回転部
６２ 非回転部
６３ 磁気粘性流体
６４ 磁場発生部
７１ 第１リンク部材（変位部連結部材）
７２ 第２リンク部材
９２ 制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】