(57)【要約】【課題】モータ内のブラシの異常磨耗を低減させるとともに、長寿命化を図った触覚呈示装置を提供する。【解決手段】触覚呈示装置１は、ブラシ付きのモータ３と、モータ３の往復回転運動を直線運動に変換する運動変換機構５と、操作者による操作部材２の操作に応じて、運動変換機構５にモータ３からの動力を伝達することで触覚を呈示する動力伝達機構４，６，７とを備えている。動力伝達機構４，６，７は、モータ３内の整流子に接触するブラシ接触位置を変更するようにモータ３を空転させるクラッチを備える。【選択図】図１
2013164771.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブラシ付きのモータと、
前記モータの往復回転運動を直線運動に変換する運動変換機構と、
操作者による操作部材の操作に応じて、前記運動変換機構に前記モータからの動力を伝達することで、触覚を呈示する動力伝達機構と、
を備えており、
前記動力伝達機構は、前記モータ内の整流子に接触するブラシ接触位置を変更するように前記モータを空転させるクラッチを備えたことを特徴とする触覚呈示装置。
【請求項２】
前記クラッチを電磁クラッチとし、前記電磁クラッチを制御する制御部を備えており、
前記制御部は、前記電磁クラッチに対して前記モータを空転させる空転モードを実施するように設定されてなることを特徴とする請求項１記載の触覚呈示装置。
【請求項３】
前記クラッチをスリップ可能な摩擦接続手段とし、前記摩擦接続手段を介して前記運動変換機構に前記モータからの動力を伝達することを特徴とする請求項１記載の触覚呈示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、操作者の手指に触覚刺激操作感触を呈示する触覚呈示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の触覚呈示装置の一例としては、例えば操作部材の平面方向への移動操作に対して操作感覚を呈示する操作感覚呈示装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。従来の操作感覚呈示装置の他の一例としては、例えば操作者が操作部材を押圧操作する際に、操作部材に振動をフィードバックする操作感覚呈示装置がある。この種の従来の操作感覚呈示装置においては、操作部材に振動をフィードバックするための駆動源としてＤＣモータが用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１５６７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ＤＣモータを用いて操作部材に振動をフィードバックする従来の操作感覚呈示装置は、装置の小型化によって操作部材の可動範囲が狭くなり、ＤＣモータの回転角度も小さい。そのため、ＤＣモータ内のブラシ（電極）がＤＣモータ内のコミテータ（整流子）全体に接触しない。その結果、ブラシとコミテータとが局部的に接触することとなり、ブラシに偏磨耗などの異常摩耗が発生しやすくなる。その異常磨耗により発生した磨耗粉がブラシとコミテータとの間の接触部分に入り込んでしまうと、ブラシの耐久性が低下したり、ブラシとコミテータとの間に接触不良が発生したりするので、ＤＣモータの使用寿命が低下してしまう。
【０００５】
本発明の目的は、モータ内のブラシの異常磨耗を低減させるとともに、長寿命化を図った触覚呈示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
［１］本発明は、ブラシ付きのモータと、前記モータの往復回転運動を直線運動に変換する運動変換機構と、操作者による操作部材の操作に応じて、前記運動変換機構に前記モータからの動力を伝達することで、触覚を呈示する動力伝達機構と、を備えており、前記動力伝達機構は、前記モータ内の整流子に接触するブラシ接触位置を変更するように前記モータを空転させるクラッチを備えたことを特徴とする触覚呈示装置にある。
【０００７】
［２］上記［１］記載の発明にあって、前記クラッチを電磁クラッチとし、前記電磁クラッチを制御する制御部を備えており、前記制御部は、前記電磁クラッチに対して前記モータを空転させる空転モードを実施するように設定されてなることを特徴とする。
【０００８】
［３］上記［１］記載の発明にあって、前記クラッチをスリップ可能な摩擦接続手段とし、前記摩擦接続手段を介して前記運動変換機構に前記モータからの動力を伝達することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の触覚呈示装置によれば、モータ内のブラシとコミテータとの摺動摩擦の状態を安定化させることが可能となり、寿命低下や動作不良を未然に防止することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の代表的な第１の実施の形態に係る触覚呈示装置を説明するための図である。
【図２】触覚呈示装置に用いられるモータの内部構造を説明するための図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は触覚呈示装置の制御系統における動作例を説明するための図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は第２の実施の形態に係る触覚呈示装置を説明するための図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は触覚呈示装置に用いられる運動変換機構の変形例１を説明するための図である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は触覚呈示装置に用いられる運動変換機構の変形例２を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて具体的に説明する。
【００１２】
［第１の実施の形態］
（触覚呈示装置の全体構成）
図１において、全体を示す符号１は、この第１の実施の形態における典型的な触覚呈示装置の内部構成部品を模式的に示している。この触覚呈示装置１は、特に限定するものではないが、タッチパネルが操作入力を受け付けた際に、操作者の手指に対して振動による触感を呈示するものであり、例えば空調装置、オーディオ装置やナビゲーション装置等の車載機器の作動を制御するための操作信号を出力する車両用のタッチパネル又はタッチパッドに適用される。
【００１３】
図示例における触覚呈示装置１は、例えば車室内の図示しないステアリングホイールやセンターコンソールなどの運転席周辺部に配置されており、同じく図示を省略したディスプレイに配線を介して接続される。この触覚呈示装置１は、操作者の手指でタッチパネル２をタッチ操作すると、例えばタッチパネル２の表面上の位置がタッチパネル２により検出され、この位置に対応した位置検出信号がディスプレイ上の項目ボタンを選択決定する遠隔操作式の入力装置として構成される。
【００１４】
この触覚呈示装置１は、図１に示すように、ＤＣブラシ付きのモータ３と、そのモータ３の出力軸３００に電磁クラッチ４を介して選択的に連結される入力軸４ａと、その入力軸４ａの回転運動を直線運動に変換する運動変換機構であるラック・ピニオン機構５とを備えている。
【００１５】
この電磁クラッチ４は、タッチパネル２の表面をタッチ操作する操作者の手指に対して、垂直な方向の触覚を呈示する動力伝達機構の一部として構成される。このラック・ピニオン機構５は、タッチパネル２の下方に突出させたラック６と、このラック６に噛み合せるピニオン７とにより動力伝達機構の一部を構成しており、操作者の手指に対して垂直な方向の触覚を呈示する機能を有する。
【００１６】
この触覚呈示装置１は、電磁クラッチ４を係合した状態では、正逆回転可能なモータ３の回転力をラック・ピニオン機構５に伝達する振動モードとなる。一方、この触覚呈示装置１は、電磁クラッチ４を開放した状態では、モータ３が一方向に自由回転可能な状態となり、モータ３を空回り（空転）させる空転モードとなる。
【００１７】
この触覚呈示装置１は、図１に示すように、タッチパネル２のタッチ信号を受け取り、モータ３及び電磁クラッチ４のそれぞれにモータ制御信号、及びクラッチ制御信号を送る制御部１０を備えている。このタッチパネル２は、操作者の手指の接触状態を検出して、その検出信号をタッチ信号として制御部１０に出力する。この制御部１０は、タッチパネル２のタッチ操作により入力されるタッチ信号に応じてモータ３の正逆回転を制御する。
【００１８】
タッチパネル２からの操作者の手指による操作を示すタッチ信号に応じて、モータ３に時計回りの回転、及び反時計回りの回転を繰り返す制御信号を出力することで、所定の回転角度、及び所定の繰り返し回数をもって、モータ３が正逆回転方向に回転駆動される。このモータ３の出力軸３００の正逆回転力は電磁クラッチ４、及び入力軸４ａを介してピニオン７に伝達される。このピニオン７の正逆回転力によりラック６が往復直線移動（往復微動）することで、タッチパネル２が振動する。このタッチパネル２の振動により、操作者の手指に対して垂直な方向の触覚情報としてフィードバックが与えられる。
【００１９】
（モータの内部構成）
図２を参照すると、同図には、この触覚呈示装置１に用いられるモータ３の一般的な内部構造が概略的に示されている。このモータ３は、ブラシ付き２極３相モータとして構成されている。このモータ３は、円筒ケース状のステータ３０１と、ステータ３０１に回転可能に軸支された出力軸３００と、ステータ３０１の内周壁に対向して設けられた一対のＳＮ極の永久磁石３０２，３０３とを備えている。この永久磁石３０２，３０３のそれぞれは、Ｓ極とＮ極とが異なる方向となるように配置されている。
【００２０】
このステータ３０１の内部には、図２に示すように、出力軸３００に固定された磁極３０４〜３０６、磁極３０４〜３０６のそれぞれに巻かれたコイル３０７〜３０９、及びコイル３０７〜３０９に電気接続されるコミテータ３１０〜３１２により構成される正逆回転可能なロータ３１３を備えている。このステータ３０１には、コミテータ３１０〜３１２に接触する一対のブラシ３１４，３１５と、ブラシ３１４，３１５を保持する一対の電極端子３１６，３１７とが固定されている。
【００２１】
この電極端子３１６，３１７に直流電流が供給されると、永久磁石３０２，３０３と磁極３０４〜３０６との間には引力、又は反発力が発生することで、ロータ３１３が回転するようになっている。電極端子３１６から電極端子３１７に電流を流すと、出力軸３００が一方向に回転し、電極端子３１７から電極端子３１６に電流を流すと、出力軸３００が他方向に回転することで、モータ３の正逆回転が切り換えられるようになっている。
【００２２】
ところで、上記のように構成されたモータ３は、所定の回転角度、及び所定の繰り返し回数をもって正逆回転方向に駆動回転されるので、ブラシ３１４，３１５がコミテータ３１０〜３１２に部分的に摺動摩擦することとなり、ブラシ３１４，３１５に偏摩耗などの異常磨耗が発生しやすく、モータ３の寿命低下や動作不良を引き起こしやすい。従って、モータ３内のブラシ３１４，３１５とコミテータ３１０〜３１２との回転方向の相対的位置を変更させることが肝要である。
【００２３】
この第１の実施の形態に係る触覚呈示装置１は、モータ３内のブラシ３１４，３１５とコミテータ３１０〜３１２との回転方向の相対的位置を変更させるように、電磁クラッチ４に対してモータ３を一方向に自由回転させる空転モードを電気的に実施する構成を主要な構成としている。
【００２４】
（制御系統の構成）
この触覚呈示装置１の制御部１０は、図１に示すように、モータ３及び電磁クラッチ４を駆動制御する信号をランダムに生成するランダム信号発生部１１を有しており、電磁クラッチ４に対してモータ３を空転させる空転モードを実施するように設定されている。空転モードの実施タイミングについては、例えば電源投入開始時や電源投入後であってもよい。ここでは、空転モードは、電源投入開始時に実施されるように構成される。
【００２５】
このランダム信号発生部１１は、電源投入開始時において、モータ３内のブラシ３１４，３１５とコミテータ３１０〜３１２との接触開始位置を変えるために使用されるものである。この触覚呈示装置１は、ランダム信号発生部１１からのランダム信号を用いて、モータ３及び電磁クラッチ４に信号を送ることで、電磁クラッチ４を開放した状態でモータ３を回転駆動し、モータ３内のブラシ３１４，３１５とコミテータ３１０〜３１２との回転方向の相対的位置を変更させるようになっている。
【００２６】
図３を参照すると、同図（ａ）にはモータ３の空転モード、又は振動モードを指示する典型的なモータ制御信号が、（ｂ）には電磁クラッチの開放（オン）、又は係合（オフ）を指示する典型的なクラッチ制御信号がそれぞれ示されている。グラフ上の横軸は時間ｔを、縦軸は電圧Ｖをそれぞれ表している。なお、図３（ａ）に示すモータ制御信号と、図３（ｂ）に示すクラッチ制御信号とは、ランダム信号発生部１１から発生する出力を表す。
【００２７】
電源投入開始時においてランダム信号発生部１１からの信号が流れている間は、制御部１０においては、モータ制御信号をオンして、モータ３を正回転又は逆回転の一方向に回転駆動させるとともに、クラッチ制御信号をオンして、電磁クラッチ４を開放させる。これにより、コミテータ３１０〜３１２に対するブラシ３１４，３１５の接触面が相対移動する。
【００２８】
一方、電源投入開始時から所定の時間が経過した後は、ランダム信号発生部１１からの信号は流れない。この信号が流れていない間は、制御部１０は、クラッチ制御信号をオフして、電磁クラッチ４を係合させる。制御部１０は、タッチパネル２のタッチ信号に応じてモータ制御信号をオンして、モータ３を正逆回転方向に回転駆動させる。
【００２９】
（第１の実施の形態の効果）
以上のように構成された第１の実施の形態に係る触覚呈示装置１は、電源投入開始時において電磁クラッチ４に対してモータ３を空転させる空転モードを実施するように設定される構成となっているので、上記効果に加えて、次の効果が得られる。
【００３０】
（１）モータ３内のブラシ３１４，３１５とコミテータ３１０〜３１２との接触開始位置をランダムに変えることで、ブラシ３１４，３１５の磨耗や摩滅などの異常摩耗を抑えることができる。
（２）ブラシ３１４，３１５とコミテータ３１０〜３１２との摺動摩擦の状態を安定化させることができるようになり、触覚呈示装置１の寿命を長くすることができる。
（３）モータ３内のブラシとコミテータとの間の接触部分のクリーニング効果が得られる。
（４）タッチパネル２の可動範囲が狭くなり、モータ３の回転角度も小さくなっても、ブラシ３１４，３１５とコミテータ３１０〜３１２との局部的な接触を抑制することができるようになり、タッチパネル２、及び触覚呈示装置１自体のコンパクト化を図ることができる。
【００３１】
［第２の実施の形態］
図４（ａ）、（ｂ）を参照すると、同図には、第２の実施の形態に係る触覚呈示装置１の一構成例が示されている。上記第１の実施の形態にあっては、モータ３の空転モードを電気的に実施する構成を例示したが、この第２の実施の形態では、モータ３の空転モードを機械的に実施する構成を例示している。なお、同図において、上記第１の実施の形態と実質的に同じ部材には同一の部材名と符号を付している。従って、これらの部材に関する詳細な説明は省略する。
【００３２】
図４（ａ）、（ｂ）においては、電磁クラッチ４に代えて、モータ３の出力軸３００には、回転方向に滑って回転するスリップ機構１２が設けられている。このスリップ機構１２は、タッチパネル２の下方に突出させたラック６の所定の位置に突出して形成された当接部材１３と、その当接部材１３に当接されるストッパ部材１４とを備えている。
【００３３】
このスリップ機構１２は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、スリップ可能な摩擦接続手段からなり、その摩擦接続手段を介してラック・ピニオン機構５にモータ３からの動力を伝達する。この摩擦接続手段としては、例えば一対のクラッチ板の間にフェルトなどの摩擦部材を貼り付けた一般的なスリップ機構付きクラッチを用いることができる。
【００３４】
その一例としては、例えばモータ３の出力軸３００に連結される第１のクラッチ板の面が、入力軸１２ａを介してピニオン７に連結される第２のクラッチ板の面に対してスリップ可能に摩擦結合した構成が挙げられる。モータ３側のクラッチ板にモータ回転力が伝達されると、摩擦部材を介してピニオン７側のクラッチ板へと動力が伝達される。
【００３５】
このモータ３が回転駆動される際に、当接部材１３がストッパ部材１４に当接すると、このストッパ部材１４によってラック６の当接部材１３の移動が規制される。このラック６の当接部材１３の移動が規制されることで、モータ３の回転に追随したスリップ機構１２の一対のクラッチ板の間に速度差が生じてスリップする。このクラッチ板がスリップすることで、モータ３が自由回転する。モータ３を一方向に回転駆動させることにより、コミテータ３１０〜３１２に対するブラシ３１４，３１５の接触面が相対移動する。
【００３６】
（第２の実施の形態の効果）
上記のように構成された第２の実施の形態に係る触覚呈示装置１にあっては、上記第１の実施の形態の効果に加えて、次の効果が得られる。
【００３７】
（１）モータ３内のコミテータ３１０〜３１２に接触するブラシ３１４，３１５の接触位置を変更するように、モータ３を空転させるクラッチがスリップ可能な摩擦接続手段により構成されるので、構造が簡単であり、コストアップを伴うことなく、装置の寿命低下や動作不良を防止することができる。
（２）タッチパネル２、及び触覚呈示装置１自体の小型化やコンパクト化をより一層図ることができる。
【００３８】
［運動変換機構の変形例］
図５及び図６を参照すると、これらの図には、上記第２の実施の形態であるスリップ機構１２を介して選択的に連結される入力軸４ａの回転運動を直線運動に変換する運動変換機構の変形例１及び２がそれぞれ例示されている。なお、これらの図において、上記第２の実施の形態と実質的に同じ部材には同一の部材名と符号を付しており、これらの部材に関する詳細な説明は省略する。
【００３９】
［変形例１］
図５（ａ）、（ｂ）において、変形例１に係る運動変換機構であるリンク機構１５は、リンク軸１８を介して長短一対の２本のリンクバー１６，１７をＬ形状に組み立てた形態で構成されている。このリンクバー１６，１７は、リンク軸１８を支点として互いに回転自在とされている。リンクバー１６の自由端部は、可動軸１９を介してタッチパネル２に連結されている。リンクバー１７の自由端部は、入力軸１２ａに固定されている。
【００４０】
従って、このリンク機構１５の構成によれば、モータ３の正逆回転駆動に伴いスリップ機構１２及び入力軸１２ａを介してリンクバー１６，１７がリンク軸１８を支点としての伸張縮小の往復動作を行うようになっている。この伸張縮小の往復動作がタッチパネル２を振動させることとなる。
【００４１】
［変形例２］
図６（ａ）、（ｂ）において、上記変形例１の可動軸１９を排除して、リンクバー１６の自由端部はタッチパネル２に直接固定されている。この変形例２に係る運動変換機構であるリンク機構１５は、リンクバー１６に形成された長孔２０の内部にリンク軸１８を挿通することで、長短一対の２本のリンクバー１６，１７をＬ形状に組み立てた形態で構成されている。このリンク軸１８は、リンクバー１６の長孔２０の内面に対して押し付けられて摺動するようになっている。
【００４２】
従って、モータ３が正逆回転駆動すると、スリップ機構１２、入力軸１２ａ及びリンクバー１７を介して、リンク軸１８がリンクバー１６の長孔２０内を摺動し、このリンク軸１８の摺動動作に伴いリンクバー１６，１７が伸張縮小の往復動作を行うようになっている。この伸張縮小の往復動作がタッチパネル２を振動させることとなる。
【００４３】
［他の変形例］
以上より、本発明における触覚呈示装置の代表的な構成例を実施の形態、変形例及び図示例を挙げて説明したが、上記実施の形態、変形例及び図示例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。本発明の技術思想の範囲内において種々の構成が可能であり、次に示すような他の変形例も可能である。
【００４４】
（１）上記実施の形態、及び図示例では、電源投入開始時において、電磁クラッチ４に対してモータ３を空転させる構成となっていたが、これに限定されるものではない。その一例としては、例えば操作者の手指がタッチパネル２に触れていないとき、即ちタッチパネル２からの操作者の手指による操作を示すタッチ信号が出力されていないとき、電磁クラッチ４を開放した状態でモータ３を回転駆動し、モータ３内のブラシ３１４，３１５とコミテータ３１０〜３１２との回転方向の相対的位置を変更させるように構成してもよい。
（２）上記実施の形態、及び図示例では、タッチパネル２を操作部材として例示したが、これに限定されるものではなく、例えばタッチパッドや操作部材の平面方向への移動操作に対して触覚を呈示する触覚呈示装置などに適用することができる。
（３）上記実施の形態、及び図示例では、ラック・ピニオン機構５及びリンク機構１５を運動変換機構として例示したが、操作者の手指に対して垂直な方向の触覚情報としてタッチパネル２を振動させることができる構成であれば、例えば板状カムや凹凸ローラなどの振動付与部材を用いることができる。
（４）上記実施の形態に係る制御部１０は、ＣＰＵなどの各種の構成要素を実現する制御プログラム、制御プログラムを格納する記憶ユニット、外部接続用インターフェースを中心にハードウェアとソフトウェアとの任意の組合せにより実現される。その方法や装置としては、従来周知の各種の方法や装置を用いることができることは当業者には理解されるところであり、図示例に特定されるものではない。
（５）空調装置、オーディオ装置やナビゲーション装置を操作するための入力装置に限らず、例えば携帯電話機などの各種の携帯情報端末装置に適用することができることは勿論である。
【００４５】
以上の説明からも明らかなように、本発明に係る代表的な実施の形態を例示したが、上記実施の形態、変形例及び図示例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。従って、上記実施の形態、変形例及び図示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点に留意すべきである。
【符号の説明】
【００４６】
１…触覚呈示装置、２…タッチパネル、３…モータ、４…電磁クラッチ、４ａ，１２ａ…入力軸、５…ラック・ピニオン機構、６…ラック、７…ピニオン、１０…制御部、１１…ランダム信号発生部、１２…スリップ機構、１３…当接部材、１４…ストッパ部材、１５…リンク機構、１６，１７…リンクバー、１８…リンク軸、１９…可動軸、２０…長孔、３００…出力軸、３０１…ステータ、３０２，３０３…永久磁石、３０４〜３０６…磁極、３０７〜３０９…コイル、３１０〜３１２…コミテータ、３１３…ロータ、３１４，３１５…ブラシ、３１６，３１７…電極端子
【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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