(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部磁場に応じて見かけ剛性が変化する磁気粘弾性体と、
前記磁気粘弾性体への変位力の負荷を伴う機器の操作入力手段と、
前記磁気粘弾性体の変位に抗して外部磁場の印加量を可変及び制御する磁場制御手段と、を有し、
前記操作入力手段としてのスティックに鉄心を連結してあり、
前記鉄心の上部と下部の２ヶ所にリング状の磁気粘弾性体を固定してあり、
前記磁場制御手段として、前記鉄心の廻りにコイルを配設してあるとともに、前記上部と下部のリング状の磁気粘弾性体の外周部を第二の鉄心で連結してあることを特徴とするハプティックインタフェース。
【請求項２】
前記磁気粘弾性体に負荷される変位力は、剪断力、圧縮力、引張力及びねじり力のうちいずれか１つ又はそれらの複合力であることを特徴とする請求項１記載のハプティックインタフェース。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変剛性機能性材料を利用したハプティックインタフェースに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気粘弾性体（Magneto-rheological Elastomer）は外部磁場に応じて見かけ剛性が変化する機能性材料であり、例えば特許文献１に提案されている。
近年、電子機器の分野では利用者に皮膚感覚フィードバック信号を与えるハプティックインタフェース技術が検討されている。
そこで本発明者らは、この磁気粘弾性体（ＭＲＥ）をハプティックインタフェースに利用できないか検討し本発明に至った。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１８１０９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、外部磁場に応じて見かけ剛性を可変できるＭＲＥを用いた新規ハプティックインタフェースの提案を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係るハプティックインタフェースは、外部磁場に応じて見かけ剛性が変化する磁気粘弾性体と、前記磁気粘弾性体への変位力の負荷を伴う機器の操作入力手段と、前記磁気粘弾性体の変位に抗して外部磁場の印加量を可変及び制御する磁場制御手段と、を有することを特徴とする。
ここで、前記磁気粘弾性体に負荷される変位力は、剪断力、圧縮力、引張力及びねじり力のうちいずれか１つ又はそれらの複合力であってよい。
【０００６】
本発明において磁気粘弾性体は、外部磁場に応じて見かけ剛性が変化する機能性材料であれば各種材料を使用することができる。
例えば、特許文献１に記載の磁性粒子複合粘弾性体を利用することができる。
また、鉄粉等の磁性粒子をシリコンゴム等のエラストマーと複合化したもののみならず、各種ゲル基剤と複合化したものも利用できる。
【０００７】
本発明において、操作入力手段とは各種機器の利用者が、その機器を操作するための入力手段であって、その入力操作に伴ってＭＲＥに変化を与えるものをいう。
例えばジョイステックのようなレバー方式、押圧操作するプッシュ方式等の各種方式が例として挙げられる。
【０００８】
本発明において磁場制御手段とは、見かけ剛性の可変を目的にＭＲＥに付与する磁力の発生及びその磁力を制御する手段をいう。
例えば、電流を印加制御する鉄心型コイル等が例として挙げられる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るハプティックインタフェースは、機器の利用者への皮膚感覚フィードバック方法としてＭＲＥの見かけ剛性変化による操作力に対する抵抗力可変によるので、簡易的でかつ任意的に設定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ＭＲＥの応答性の評価に用いた試験装置を示す。（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は正面図を示す。
【図２】ＭＲＥ応答性評価システムの例を示す。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は電流出力パターンに対する抵抗力変化のグラフを示す。
【図４】ＭＲＥユニットの構造例を示す。
【図５】圧縮変位型操作ユニットの例を示す。
【図６】圧縮変位型操作ユニットの第２の例を示す。
【図７】ねじれ変位型操作ユニットの例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１に示すＭＲＥ応答性評価試験機を用いて実験評価したので以下、説明する。
試験機は鉄心１３ａと鉄心１３ｂとをコ字形状に連結した鉄心１３ａにコイル１４を巻設し、磁気粘弾性体（ＭＲＥ）１２ａ，１２ｂの間にプレート状の連結部材１５を挟持した状態で、このＭＲＥの両側と鉄心１３ｂの端部とを鉄心１３ｃにて連結した。
これによりコイルに電流を印加すると、鉄心内に磁気的閉回路が形成され、ＭＲＥに外部磁場が印加される。
連結部材１５はスティック１１とリンク連結され、スティックノブ１１ａを前後に操作すると、図１（ｂ）に矢印で示すように連結部材１５が前後に移動しＭＲＥに剪断力が加わる。
スティック１１と連結部材１５とのリンク連結はスティック１１の前後傾斜操作を連結部材の前後水平移動に伝達するのが目的である。
図１に示した試験機では、ベース部材１０から支持部１６ａを一対立設し、その間に回転軸１６を介して回動自在にサブフレーム１５ｂを一対形成し、このサブフレーム間に連結部材１５の一端をシャフト１５ａで軸着した。
また、スティック１１はスプリング１７ａにより、元の状態に復帰するようになっている。
【００１２】
図１に示した試験機を用いて図２に示すような評価システムを構築した。
コイルに対して所定のパターンに合せて電流を印加した状態でスティック１１を、リニアアクチュエーター等を用いて一定の速度で傾け、そのときの抵抗力変化を解析した。
図３（ａ）〜（ｄ）に電流の出力パターン１〜４に対する抵抗力変化を測定したグラフを示す。
（ａ）パターン１は、スティックの傾斜開始後０．２〜０．３秒の間に６Ａ通電した。
（ｂ）パターン２は、間に約０．３秒間６Ａ通電した。
（ｃ）パターン３は、始めに０．１秒間６Ａ通電し、その後０．３秒間通電停止、０．２秒間６Ａ通電した。
（ｄ）パターン４は、０．１秒間隔で３回のパルス通電をした。
いずれの通電パターンにおいても、そのパルスに合せて抵抗力の変化が出現しており、ＭＲＥをハプティックインタフェースに適用できることが確認できた。
【００１３】
ＭＲＥの変位応答性は剪断力のみならず、圧縮変位やねじり変位にも現れる。
図４にＭＲＥユニット２０として製作した例を示す。
スティック２１に連結した鉄心２３の上部と下部とにリング状のＭＲＥ２２ａ，２２ｂを固定する。
鉄心２３の廻りにはコイル２４を配設する。
また、ＭＲＥ２２ａ，２２ｂの外周部は第二の鉄心２３ａ，２３ｂで連結した。
本実施例ではハウジング２５及び蓋体２５ａ，２５ｂを用いて内部に収容した例になっている。
このようなＭＲＥユニット２０は、スティック２１を左右前後に傾ける操作、下方に押し操作、さらにはスティック２１を軸廻りに廻すねじり操作に対して、ＭＲＥに外部磁場を印加すると圧縮変位、引張変位、ねじり変位応答が抵抗力変化として出現した。
このＭＲＥユニットの適用例を図５〜７に示す。
【００１４】
図５はスティック３１の下端に十字形状のプレート体３１ａを連結し、このプレート体３１ａの各端部４ヶ所の下面側にＭＲＥユニット２０をそれぞれ配置した例である。
プレート体３１ａは、スティック３１の傾斜方向に合せて傾くようにベース部材３０に設けた球面台座３２と球体部３２ａとの球面関節構造になっている。
図６は図５と同様に圧縮型になっているが、スティック３１が摺動台座３３，３４にてＸ−Ｙ軸方向に傾くようになっており、その変位角をポテンションメータ４０で検出するとともにシャフト４１を介して作用杆３７の両端の上下変位を、ＭＲＥユニット２０のスティック２１に伝達する例である。
なお、シャフト４１は支持部材３５，３６を介してポテンションメータ４０と連結されている。
図７はシャフト４１の回転をＭＲＥユニット２０のスティック２１のねじり変位として、直接的に連結した例である。
【符号の説明】
【００１５】
１０        ベース部材
１１        スティック
１１ａ      ノブ
１２ａ      ＭＲＥ
１２ｂ      ＭＲＥ
１３        鉄心
１４        コイル
１５        連結部材
１５ａ      連結軸
１６        回転軸
２０        ＭＲＥユニット
２２ａ      ＭＲＥ
２２ｂ      ＭＲＥ
２３        鉄心
２４        コイル
２５        ハウジング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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