JP7022783B2 - 触覚アクチュエータの制御方法及びデバイスの制御方法 - Google Patents

Description

実施形態は触覚アクチュエータ及びその制御方法に関する。

従来は、電子機器と人が情報のやりとりを行うとき視覚的又は聴覚的な伝達が主であったが、近年はより具体的に実感できる情報伝達のために触覚技術が注目を浴びている。

一般的に、触覚技術のための触覚提供装置として、慣性アクチュエータ（Ｉｎｅｒｔｉａｌ ａｃｔｕａｔｏｒ）、ピエゾアクチュエータ（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｃｔｕａｔｏｒ）、電気活性ポリマーアクチュエータ（Ｅｌｅｃｔｒｏ－ａｃｔｉｖｅ ｐｏｌｙｍｅｒ ａｃｔｕａｔｏｒ、ＥＡＰ）などがある。

慣性アクチュエータには、磁気回路に連結された重量体によって発生する偏心力により振動する偏心モータ（Ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ、ＥＲＭ）、弾性バネと磁気回路に連結された重量体により発生する共振周波数を用いて振動の強度を最大化させる線形共振アクチュエータ（Ｌｉｎｅａｒ ｒｅｓｏｎａｎｔ ａｃｔｕａｔｏｒ、ＬＲＡ）がある。

ピエゾアクチュエータは、電場により瞬間的に外形が変わる圧電素子を中心に、弾性体などを用いてバー又はディスク状に駆動する素子である。

従来技術である触覚提供装置のうち、圧電型額アクチュエータに対して大韓民国登録特許公報１０－１６０３９５７（名称：圧電アクチュエータ、圧電振動装置及び携帯端末）、大韓民国公開特許公報第１０－２０１１－０１１８５８４（名称：透明な合成圧電組合されたタッチセンサ及び触覚アクチュエータ）がある。

電気活性ポリマーアクチュエータは、外部電力によって特定なメカニズムを有する高分子バックボーンの官能基によって外形が変わることが主な原理であって、電気活性ポリマーフィルムを質量体に付けて繰り返された動きを提供して駆動する素子である。

また、上記した触覚提供装置の他に、形状記憶合金、静電気力、超音波などを用いた触覚提供装置が開発されている。

このような従来における触覚提供装置は、単に振動を伝達することに過ぎず、線形共振アクチュエータの場合は、質量体とバネによって決定される共振周波数を利用しなければ、効果的に振動できないという短所があり、ピエゾアクチュエータの場合は、使用する素材がこわれやすい物質であって、実施者に十分な耐久寿命を達成できないという限界があり、最後に、電気活性ポリマーアクチュエータの場合は、外部酸化に対して耐久性の問題があり、実質的な駆動のために多い量の電圧が求められることで、様々な機器に適用し難い問題があった。

それと共に、２０１０年、世界的な学術誌であるIEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICSに記載された論文（題名：Tactile sensing-from humans to humanoids）によれば、人体が収容可能な触覚感覚の周波数範囲は０．４Ｈｚ～５００Ｈｚ以上まで達するが、従来の触覚技術を用いる場合、１６０Ｈｚ～２１０Ｈｚ範囲内の振動のみを提供し、より多様かつ複雑な情報を効率よく伝達できない問題があり、これを効果的に解決するために、様々な周波数範囲内で触覚信号を効率よく伝達できる装置の研究が求められる状況である。

上記のような従来における触覚提供装置は、効率よく振動提供できる駆動周波数の幅を広げることで前記問題を解決したように見えたが、１６０Ｈｚ以上の振動と声を同時に提供しようとする構造により、振動提供の際に騒音が伴うという問題があった。

また、１６０Ｈｚ以下の低周波数領域で振動をはじめとする触覚を提供できる装置は依然としてない実状である。

したがって、１６０Ｈｚ以下の領域で触覚を提供することができ、単に１つの周波数領域ではない様々な範囲で触覚を提供できる装置の開発が求められる実状である。

実施形態の目的は、触覚技術の発展に伴って、新しい触覚に対する市場のニーズと共に、従来技術における諸般問題を解決するために案出されたものであり、様々な状況に応じて、より感性的な触覚を提供するための触覚提供装置、触覚アクチュエータを提供することにある。

実施形態の目的は、区分可能な２以上の周波数帯域で互いに異なる触覚を提示できる少なくとも３以上の駆動モードを有する触覚アクチュエータ及びその制御方法を提供することにある。

具体的に、弾性部材と振動部（質量体）の組合せて１６０Ｈｚ以下で少なくとも１つの共振周波数を有し、該当地点で従来技術が提供している振動を提供できると同時に、共振周波数の１／３地点以下で更なる触覚を提示できる駆動区間を有する触覚アクチュエータを提供することを目的とする。

さらに、同じ周波数であっても、互いに異なる波形の電気的な信号による外部磁気力によって異なる触覚を提示できる触覚アクチュエータを提供することを目的とする。

一実施形態によれば、触覚アクチュエータは、内部に収容空間を形成するハウジングと、前記収容空間の少なくとも一部をカバーするキャップと、前記収容空間内に配置される振動部と、前記振動部が前記ハウジングに対して振動可能に前記ハウジング及び振動部を連結する弾性部材と、前記振動部を駆動するための磁場を形成するコイルと、予め設定された複数の駆動モードのうち収集された駆動情報に基づいていずれか１つの駆動モードを決定し、前記駆動モードに応じて前記コイルに印加される電流の特性を決定する制御部とを含む。

前記振動部の質量は２ｇ以下であり、前記弾性部材の弾性係数は２．０２１Ｎ／ｍｍ以下であり、前記触覚アクチュエータの共振周波数は１６０Ｈｚ以下であり得る。

前記駆動モードが第１設定モードであれば、前記制御部は前記電流の周波数を第１設定周波数として決定し、前記駆動モードが前記第１設定モード以外の設定モードであれば、前記制御部は、前記電流の周波数を前記第１設定周波数よりも低い第２設定周波数として決定し得る。

前記第１設定周波数は、１６０Ｈｚ以下の値であり得る。

前記第２設定周波数は、前記触覚アクチュエータの共振周波数の１／３以下の値であり得る。

前記駆動モードが第２設定モードであれば、前記制御部は、前記電流の波形を方形波又はパルス波として決定し、前記駆動モードが第３設定モードであれば、前記制御部は、前記電流の波形を正弦波として決定し得る。

前記駆動モードは、一般振動モード、タッピングモード、及びローリングモードを含み得る。

前記駆動モードが前記一般振動モードであれば、前記制御部は、前記電流の周波数を第１設定周波数として決定し、前記駆動モードが前記タッピングモードであれば、前記制御部は、前記電流の周波数を前記第１設定周波数よりも低い第２設定周波数として決定し、前記駆動モードが前記ローリングモードであれば、前記制御部は、前記電流の周波数を前記第２設定周波数よりも高くて前記第１設定周波数よりも低い第３設定周波数として決定し得る。

前記触覚アクチュエータは、前記制御部で収集される情報を提供する情報提供手段をさらに含み、前記情報提供手段は、ユーザの命令が入力されるためのユーザインタフェース、外部環境を検出するためのセンサ、データが格納されるメモリ、他の通信機器との通信を介して情報が入力される通信部のうちいずれか１つ以上を含み得る。

一実施形態に係る触覚アクチュエータの制御方法は、駆動情報を収集するステップと、前記収集された駆動情報に基づいて、予め設定された複数の駆動モードのうちいずれか１つの駆動モードを決定するステップと、前記決定された駆動モードに基づいて、前記コイルに印加する電流の周波数を決定するステップと、前記コイルに電流を印加するステップとを含む。

前記触覚アクチュエータの制御方法は、前記決定された駆動モードに基づいて、前記コイルに印加する電流の波形を決定するステップをさらに含み得る。

前記駆動情報は、前記触覚アクチュエータと連結されたデバイスで再生する映像又は音源であり、前記駆動モードを決定するステップは、前記映像又は音源に予め設定された映像パターン又は音響パターンが含まれているか否かに応じてリアルタイムに決定され得る。

一実施形態によれば、様々な触感をより感性的に伝達することができる。

一実施形態によれば、人体が検出できる周波数範囲のうち、１６０Ｈｚ以下の周波数範囲で従来技術よりもさらに効率よく触覚を提供することができる。

一実施形態によれば、１つの触覚提供装置を介して、１６０Ｈｚ以下の周波数範囲内で少なくとも２以上の互いに異なる触覚を提供することができる。

一実施形態に係る触覚アクチュエータの内部を示す図である。 一実施形態に係る弾性部材を示す図である。 他の実施形態に係る弾性部材を示す図である。 一実施形態に係る触覚アクチュエータのブロック図である。 一実施形態に係る触覚アクチュエータなどにおいて、周波数による駆動領域を概念的に示すグラフである。 一実施形態に係る触覚アクチュエータなどにおいて、実際に測定された周波数及び加速度の関係を示すグラフである。 一実施形態に係る触覚アクチュエータなどにおいて、低周波数を有する方形波電流を印加するとき測定された周波数及び加速度の関係を示すグラフである。 一実施形態に係る触覚アクチュエータなどにおいて、低周波数を有する正弦波電流を印加するとき測定された周波数及び加速度の関係を示すグラフである。 一実施形態に係る触覚アクチュエータの制御方法を示す図である。 一実施形態に係る触覚アクチュエータが第１設定モードで動作する一形態を示す図である。 一実施形態に係る触覚アクチュエータが第２設定モードで動作する異なる形態を示す図である。 互いに異なる共振周波数を有する触覚アクチュエータにおいて、５Ｈｚの方形波である入力電流の電流の大きさ変化による加速度の変化を示すグラフである。 互いに異なる共振周波数を有する触覚アクチュエータにおいて、９０ｍＡの方形波である入力電流の周波数変化による加速度の変化を示すグラフである。 ８０Ｈｚの共振周波数特性を有する触覚アクチュエータに入力される方形波である電流の変化に応じて表示される振動部の波形を示す図である。 １２０Ｈｚの共振周波数特性を有する触覚アクチュエータに入力される方形波である電流の変化に応じて表示される振動部の波形を示す図である。 １６０Ｈｚの共振周波数特性を有する触覚アクチュエータに入力される方形波である電流の変化に応じて表示される振動部の波形を示す図である。 １８０Ｈｚの共振周波数特性を有する触覚アクチュエータに入力される方形波である電流の変化に応じて表示される振動部の波形を示す図である。 互いに異なる共振周波数特性を有する触覚アクチュエータにおいて、方形波である電流が印加されるときタッピング及び振動の閾値周波数を示すグラフである。 ８０Ｈｚの共振周波数特性を有する触覚アクチュエータに入力されるパルス波である電流の変化に応じて表示される振動部の波形を示す図である。 １２０Ｈｚの共振周波数特性を有する触覚アクチュエータに入力されるパルス波である電流の変化に応じて表示される振動部の波形を示す図である。 １６０Ｈｚの共振周波数特性を有する触覚アクチュエータに入力されるパルス波である電流の変化に応じて表示される振動部の波形を示す図である。 １８０Ｈｚの共振周波数特性を有する触覚アクチュエータに入力されるパルス波である電流の変化に応じて表示される振動部の波形を示す図である。 互いに異なる共振周波数特性を有する触覚アクチュエータにおいて、パルス波である電流が印加されるときタッピング及び振動の閾値周波数を示すグラフである。 ８０Ｈｚの共振周波数特性を有する触覚アクチュエータに入力される正弦波である電流の変化に応じて表示される振動部の波形を示す図である。 １２０Ｈｚの共振周波数特性を有する触覚アクチュエータに入力される正弦波である電流の変化に応じて表示される振動部の波形を示す図である。 １６０Ｈｚの共振周波数特性を有する触覚アクチュエータに入力される正弦波である電流の変化に応じて表示される振動部の波形を示す図である。 １８０Ｈｚの共振周波数特性を有する触覚アクチュエータに入力される正弦波である電流の変化に応じて表示される振動部の波形を示す図である。 互いに異なる共振周波数特性を有する触覚アクチュエータにおいて、正弦波である電流が印加されるときローリング及び振動の閾値周波数を示すグラフである。 他の実施形態に係る触覚アクチュエータの制御方法を示す図である。

以下、実施形態を例示的な図面によって詳細に説明する。各図面の構成要素に参照符号を付加することにおいて、同じ構成要素に対して、たとえ他の図面上に表示されていても、可能な限り同じ符号にすることを留意しなければならない。また、実施形態の説明において、関連する公知構成又は機能に対する具体的な説明が実施形態に対する理解を妨害するものと判断される場合は、その詳細な説明は省略する。

また、実施形態の構成要素を説明することにおいて、第１、第２、Ａ、Ｂ、（ａ）、（ｂ）などの用語を使用してもよい。このような用語は、その構成要素を他の構成要素と区別するだけのものであり、その用語によって当該の構成要素の本質や順序などが限定されることはない。いずれかの構成要素が他の構成要素に「連結」、「結合」、又は「接続」されと記載された場合、その構成要素はその他の構成要素に直接的に「連結」、「結合」、又は「接続」されてもよいが、各構成要素の間に更なる構成要素が「連結」、「結合」、又は「接続」され得ることを理解しなければならないのであろう。

いずれか１つの実施形態に含まれた構成要素と、共通機能を含む構成要素は、他の実施形態で同じ名称を用いて説明することにする。反対となる記載がない限り、いずれか１つの実施形態に記載した説明は他の実施形態にも適用可能であり、重複する範囲で具体的な説明は省略することにする。

図１は、一実施形態に係る触覚アクチュエータの内部を示す図であり、図２は、一実施形態に係る弾性部材を示す図であり、図３は、他の実施形態に係る弾性部材を示す図であり、図４は、一実施形態に係る触覚アクチュエータのブロック図である。

図１～図４を参照すれば、一実施形態に係る触覚アクチュエータ１は、ハウジング１１、キャップ１２、振動部１３、弾性部材１４、コイル１５、ユーザインタフェース１６、センサ１７、メモリ１８、通信部１９、及び制御部２０を含む。

ハウジング１１は、例えば、上面が開放された収容空間を含む。ハウジング１１はボックス状のように図示しているが、これとは異なってハウジング１１の形状は制限されないことを明らかにする。

キャップ１２は、前記収容空間の少なくとも一部をカバーしている。カバー１２は、キャップ１２の枠部は、ハウジング１１の側壁部に固定されている。キャップ１２に直接又は間接的に接触したユーザの体を介して振動部１３により発生する振動が伝えられる。例えば、キャップ１２は、振動部１３の振動、タッピング、又はローリングなどの触感がユーザによく伝えられるよう、ハウジング１１よりも柔軟な素材で形成される。

振動部１３は、ハウジング１１の収容空間内に配置され、コイル１５に印加される電流によって発生する磁場により駆動される。振動部１３は、前記磁場によって駆動され得る物質を含む。振動部１３は、「磁気回路部及び質量体」として理解されてもよい。

例えば、振動部１３は、強磁性体のうち固有保磁力が少なくとも１０００Ａ／ｍ以下である軟磁性体からなり、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｚｎなどの元素のうち少なくとも１つ以上が含まれたスチール（Ｓｔｅｅｌ）、粉（Ｐｏｗｄｅｒ）、合金（Ａｌｌｏｙ）、合金粉（Ａｌｌｏｙ ｐｏｗｄｅｒ）、合成体（Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）、ナノ構造（Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）などの構造を有する物質が使用されてもよく、全体の構成が単一の物質である必要はない。

異なる例として、振動部１３は、常磁性体のうち、その比重が少なくとも８以上であるＣｕ、Ｗなどが純粋に使用されたり、又は、前記軟磁性体であるＦｅ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｚｎなどの元素のうち少なくとも１つ以上と合金、合金粉、合成体、ナノ構造などの構造を有する物質が使用されてもよく、同様に、磁気回路部及び質量体１を構成している物質及び構造は均一である必要はない。

振動部１３の一部は、強磁性体として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｄ、Ｎｉ、Ｂ、Ｚｎなどの元素のうち、少なくとも１つ以上が含まれたスチール、粉、合金、合金粉、合成体、ナノ構造などの構造を有する物質が使用されてもよく、図１に基づいて上下方向にＮ極及びＳ極が区分可能に着磁された物質を用いてもよい。

弾性部材１４は、振動部１３がハウジング１１に対して振動可能にハウジング１１及び振動部１３を連結する。例えば、弾性部材１４は、低い常磁性又は反磁性を有する物質を用いることができ、その例として、ステンレススチール、プラスチック、又はゴムなど、外力によって物質の外観が変形されても外力がなくなると同時に本来の形状に復元できる弾性を有する物質が使用される。

弾性部材１４は、ハウジング１１に固定される固定部１４ａと、振動部１３を支持する支持部１４ｂと、固定部１４ａ及び支持部１４ｂを連結する連結部１４ｃを含む。例えば、固定部１４ａの直径は、支持部１４ｂの直径よりも大きくてもよい。

一方、図１及び図２には、固定部１４ａ及び支持部１４bが環状である場合を例示的に示したが、図３に示すように、弾性部材２４の支持部２４bは、複数のセグメントからなってもよく、これは固定部１４ａも同じである。

コイル１５は、印加された電流を用いて振動部１３を駆動するための磁場を形成する。例えば、コイル１５として、平面コイル、ソレノイドコイル、又は軟磁性体を含むコア部を有する電磁石コイルなどが用いられる。

ユーザインタフェース１６は、ユーザから直接に命令が入力される。例えば、ユーザインタフェース１６は、キーボード、マウス、又はタッチパネルなどであってもよく、ユーザインタフェース１６の種類を制限しないことを明らかにする。

センサ１７は、触覚アクチュエータ１の外部環境を検出する。例えば、センサ１７は、温度、湿度、圧力、又は光の光量などを検出し、これを電気的な信号に変えて制御部２０に伝達し、ここで、センサ１７の種類を制限しないことを明らかにする。

メモリ１８は、データを格納する。例えば、メモリ１８には映像、音源、写真又はテキストなどのデータが格納される。メモリ１８には、ユーザインタフェース１６、センサ１７及び／又は通信部１９から伝達されたデータが格納されてもよい。メモリ１８には、予め設定された複数の駆動モードが格納されてもよい。

通信部１９は、他の通信機器との有無線通信を介して情報が入力される。例えば、インターネットによって外部の映像、音源、写真、又はテキストなどのデータを受信して制御部２０に伝達できる。

ユーザインタフェース１６、センサ１７、メモリ１８、及び通信部１９を通称して「情報提供手段」と称する。情報提供手段は、制御部２０で収集される駆動情報を提供する。実施形態は、情報提供手段から制御部に提供された情報に基づいて複数の駆動モードで駆動される触覚アクチュエータに関し、収集される情報の種類、又は該当情報を提供する手段の種類が制限されることはない。

制御部２０は、予め設定された複数の駆動モードのうち、収集された駆動情報に基づいていずれか１つの駆動モードを決定する。ここで、制御部２０で収集される駆動情報は、情報提供手段から伝達された情報であり得る。制御部２０は、決定された駆動モードに応じて、コイル１５に印加される電流の特性を決定する。ここで、電流の特性とは、電圧、周波数、及び波形などである。

実施形態は、弾性部材１４の物性を変化させて低い周波数領域で振動可能にするものである。下記の数式（１）に基づいて従来における触覚アクチュエータの共振周波数と振動部の質量から誘導された弾性部材の弾性係数について示した表１と、実施形態に係る触覚アクチュエータ１の弾性部材１４の弾性係数を示した表２を下記のように提示する。

［表１］及び［表２］を参照すれば、例えば、振動部１３の質量が０．６以上１．１ｇである触覚アクチュエータにおいて、１００Ｈｚ以下の低い共振周波数を有するようにするため、弾性部材１４の弾性係数は０．２Ｎ／ｍｍ以上０．３５Ｎ／ｍｍ以下に設定される。

図５は、一実施形態に係る触覚アクチュエータなどにおいて、周波数による駆動領域を概念的に示すグラフであり、図６は、一実施形態に係る触覚アクチュエータなどにおいて、実際に測定された周波数及び加速度の関係を示すグラフである。

実線は実施形態に係る触覚アクチュエータ１の駆動を示すグラフであり、一点鎖線は従来における一般的な線形共振型アクチュエータの駆動を示すグラフであり、点線は、従来における一般的な線形共振型アクチュエータで駆動周波数帯域を向上させた多機能振動アクチュエータの駆動を示すグラフである。

図５及び図６を参照すれば、実施形態に係る触覚アクチュエータ１は、コイル１５に印加する電流により少なくとも２以上の駆動モードを有する。

従来の一般的な線形共振型アクチュエータのグラフ（一点鎖線）を参照すれば、１７０Ｈｚ以上に位置する１つの共振周波数ｆ＿ｃで最大振動力を有し、相対的に狭い周波数帯域Ａ３で駆動可能な周波数帯域を有することが確認される。

従来の場合、触覚提供方法が振動に限定される点により、周期的な振動を形成できない周波数帯域における出力をノイズとして定義して無視したことから、様々な触覚を提示することができなかった。

一方、実施形態に係る触覚アクチュエータのグラフ（実線）を参照すれば、少なくとも１６０Ｈｚ以下で１つ以上の共振周波数ｆ＿ａ１を有し、該当の共振周波数ｆ＿ａ１を含
んでいる周波数帯域Ａ１１で従来の触覚提供装置が出力する振動のような形態の触覚を提示する。

また、該当共振周波数ｆ＿ａ１の概略１／３となる閾値周波数ｆ＿ａ２以下の領域で、振動ではない力を提供できる少なくとも１つ以上の互いに異なる周波数帯域Ａ１２を含み、これに該当する力は触覚としてタッピング及びローリングなどが該当される。ここで、前記閾値周波数とは、入力された電流により発生する波形が崩れる形状を示さず、周期的な形状の振動を形成する最小周波数と言える。

図７は、一実施形態に係る触覚アクチュエータなどにおいて、低周波数を有する方形波電流を印加するとき測定された周波数及び加速度の関係を示すグラフであり、図８は、一実施形態に係る触覚アクチュエータなどにおいて、低周波数を有する正弦波電流を印加するとき測定された周波数及び加速度の関係を示すグラフである。

実線は、実施形態に係る触覚アクチュエータ１の駆動を示すグラフであり、一点鎖線は、従来における一般的な線形共振型アクチュエータの駆動を示すグラフである。

図７及び図８を参照すれば、低周波数の電流が流れるとき、従来における一般的な線形共振型アクチュエータは実際の使用に適しないノイズを見せているが、実施形態に係る触覚アクチュエータ１は、与えられた外部電流の波形に適する振動パターンを見せていることが確認できる。

図９は、一実施形態に係る触覚アクチュエータの制御方法を示す図であり、図１０は、一実施形態に係る触覚アクチュエータが動作する一形態を示す図であり、図１１は、一実施形態に係る触覚アクチュエータが動作する異なる形態を示す図である。

図９～図１１を参照すれば、情報提供手段１６、１７、１８、１９を介して入力された駆動情報は、制御部２０で収集される（１００）。ステップ１００で、収集された駆動情報に基づいて制御部２０は、予め設定された複数の駆動モードのいずれか１つの駆動モードを決定する（１１０）。ここで、予め設定された複数の駆動モードは、例えば、一般振動モード、タッピングモード及び／又はローリングモードなどを含む。以下、第１設定モードは一般振動モードであり、第２設定モードはタッピングモードであり、第３設定モードはローリングモードである場合を例示的に説明する。

例えば、前記駆動情報は、触覚アクチュエータ１と連結されたデバイスで再生する映像又は音源であり、ステップ１１０において、再生する映像又は音源に予め設定された映像パターン又は音響パターンが含まれているか否かに応じてリアルタイムに決定される。

ステップ１１０において、駆動ステップが決定されれば、制御部２０は、決定された駆動モードに基づいてコイル１５に印加する電流の周波数を決定する。

ステップ１１０において、決定された駆動ステップが一般振動モードであるか否かを決定し（１２０）、第１設定モード（一般振動モード）である場合、制御部２０は、電流の周波数を周期的なサイン波形状の振動力を形成する最小周波数である閾値周波数よりも高い第１設定周波数ｆ＿Ｈとして決定し（１３０）、制御部２０は、設定された周波数の電流をコイル１５に印加する（１８０）。第１設定周波数ｆ＿Ｈは、触覚アクチュエータ１の共振周波数周辺の周波数帯域Ａ１１（図５参照）に属する値に設定される。例えば、第１設定周波数ｆ＿Ｈは、１６０Ｈｚ以下の値であり得る。

ステップ１８０において、第１設定周波数ｆ＿Ｈを有する電流が印加されれば、図１０に示すように、振動部１３は、ハウジング１１の収容空間内で上下振動し、前記振動は、弾性部材１４、ハウジング１１、及びキャップ１２を順次経てユーザに伝えられる。第１設定モードでは、周期的な形状の振動力を形成するよう十分に高い周波数が入力されるため、入力波形の種類に大きい影響を受けず、類似の振動を発生させることができる。言い換えれば、第１設定モードで入力波形の種類は制限されない。

一方、ステップ１１０で決定された駆動モードが第１設定モード以外の設定モードであれば、制御部２０は、電流の周波数を第１設定周波数ｆ＿Ｈよりも低い第２設定周波数ｆ＿Ｌとして決定する（１４０）。第２設定周波数ｆ＿Ｌは、前記閾値周波数よりも低い値に決定される。例えば、第２設定周波数ｆ＿Ｌは、触覚アクチュエータ１の共振周波数の１／３以下の値である。

ステップ１４０の実行後に、制御部２０は、駆動モードが第２設定モード（タッピングモード）であるか否かを決定する（１５０）。ステップ１５０で、駆動モードが第２設定モード（タッピングモード）として決定されれば、制御部２０は、電流の波形を方形波又はパルス波として決定する。反対に、ステップ１５０で、駆動モードが第３設定モード（ローリングモード）として決定されれば、制御部２０は、電流の波形を正弦波として決定する。そして、制御部２０は、設定された周波数及び波形にコイル１５に電流を印加する（１８０）。

ステップ１８０において、第２設定周波数ｆ＿Ｌを有する電流が印加されれば、振動部１３は、周期的な振動力を形成できないため、下記のように入力波形により異なる触感をユーザに伝達できる。

まず、入力される電流の波形が正弦波である場合、周期的な振動力を形成できない振動部１３は、非周期的に上下運動することになる。また、正弦波の特性上、コイル１５に入力される電流の大きさは滑らかに変化するため、上記のような運動によって、ユーザはローリングの触感を感じることができる。本発明において、「ローリング」とは、周期性を感じることはできない一連の触感を称するものと理解される。実際に実施形態により製造された試製品に上記のような条件を適用するとき、ユーザはローリングの触感を感じることができた。

次に、入力される電流の波形が方形波又はパルス波である場合、周期的な振動力を形成できない振動部１３が非周期的に上下運動することも同様である。ただし、方形波又はパルス波の特性上、コイル１５に入力される電流の大きさが急激に変化するため、電流の大きさが変化する周期的な瞬間ごとに振動部１３の上下運動の方向への加速度が他の区間に比べて遥かに大きく変化する。そして、電流の大きさが変化する瞬間に感じられる触感は、ユーザの触感の閾値を高め、結果的に残りの区間で感じられる触感を感じることができない程度に感覚適応（ｓｅｎｓｏｒｙ ａｄａｐｔａｔｉｏｎ）を引き起こすため、ユーザは「タッピング」の触感を感じることができる。本発明において、「タッピング」とは、残りの区間より区別できる程度に高いインパルスが周期的に反復する触感を称するものと理解される。実際に、実施形態によって製造された試製品に上記のような条件を適用するとき、ユーザはタッピングの触感を感じることができた。

言い換えれば、触覚アクチュエータ１の共振周波数の１／３以下の周波数を有する電流を入力する場合、電流の波形に応じて、ユーザは少なくとも２以上の互いに異なる触覚を感じることができる。

一方、例えば、振動部１３及びキャップ１２の間の距離が十分近いか、十分な電圧が入力される場合、振動部１３は、図１１に示すように、キャップ１２に直接的に接触するこ
とで、キャップ１２を介してユーザに直接的な力を伝達することもできる。

以下、実施形態に係る触覚アクチュエータ１を用いて実験した結果グラフを用いて具体的に説明する。

図１２は、互いに異なる共振周波数を有する触覚アクチュエータにおいて、５Ｈｚの方形波である入力電流の電流の大きさ変化による加速度の変化を示すグラフであり、図１３は、互いに異なる共振周波数を有する触覚アクチュエータにおいて、９０ｍＡの方形波である入力電流の周波数変化による加速度の変化を示すグラフである。

実験を通じてユーザは、振動部１３が０．２Ｇ以上の加速度で駆動するとき、タッピングの触感を感じる可能性があることを確認した。図１２及び図１３を参照すれば、触覚アクチュエータ１の共振周波数が１６０Ｈｚ以下である場合、大きさが９０ｍＡであり、周波数が５Ｈｚである小さい電流が印加されても振動部１３が０．２Ｇ以上の加速度で駆動される可能性があることを確認できた。これに反して、触覚アクチュエータの共振周波数が１６０Ｈｚよりも若干大きい１８０Ｈｚである場合、０．２Ｇ以上の加速度で駆動されるためには、９０ｍＡの約１．５倍である１３０ｍＡ以上の電流を印加しなければならないことが確認された。

実施形態に係る触覚アクチュエータは、振動部１３の質量が２ｇ以下である場合、弾性部材１４の弾性係数を２．０２１Ｎ／ｍｍ以下にすることで、共振周波数が１６０Ｈｚ以下になるようにする。一方、振動部１３の質量が２ｇ以上である場合、弾性部材１４の弾性係数を２．０２１Ｎ／ｍｍ以上にすることで、共振周波数が１６０Ｈｚ以下になるようにする。

図１４～図１７は、それぞれ８０Ｈｚ、１２０Ｈｚ、１６０Ｈｚ及び１８０Ｈｚの共振周波数特性を有する触覚アクチュエータに入力される方形波である電流の変化に応じて表示される振動部の波形を示す図であり、図１８は、互いに異なる共振周波数特性を有する触覚アクチュエータにおいて、方形波である電流が印加されるときタッピング及び振動の閾値周波数を示すグラフである。

図１４～図１７を参照すれば、各図面の右側列に示されたグラフのように、特定の周波数以上の方形波である電流が印加されれば、振動部の波形が周期的なサイン波形状の振動力を形成することが分かる。したがって、前記条件で触覚アクチュエータは、ユーザに「振動」の触感を提供できる。

一方、各図面の左側列に示されたグラフのように、特定の周波数以下の領域では振動部が周期的な振動力を形成することができず、グラフが部分的に崩れていることが確認される。ただし、方形波の特性上、電流の大きさが変化する周期的な瞬間ごとに振動部の加速度が異なる区間に比べて遥かに大きく変化する。したがって、前記条件で触覚アクチュエータは、ユーザに「タッピング」の触感を提供できる。

上述したように、前記特定の周波数を基準にして触覚アクチュエータがユーザに提供する触感は振動又はタッピングにより区分される。前記特定の周波数は、閾値周波数又は区分周波数とも言える。

図１４～図１７を参照すれば、触覚アクチュエータの共振周波数が大きくなるほど、前記閾値周波数が大きくなる傾向を確認することができ、前記傾向を図１８に示している。実施形態に係る触覚アクチュエータの制御方法において、第１設定周波数ｆ＿Ｈ及び第２設定周波数ｆ＿Ｌは、図１８に示された閾値周波数を考慮して設定される。

図１９～図２２は、それぞれ８０Ｈｚ、１２０Ｈｚ、１６０Ｈｚ及び１８０Ｈｚの共振周波数特性を有する触覚アクチュエータに入力されるパルス波である電流の変化に応じて表示される振動部の波形を示す図であり、図２３は、互いに異なる共振周波数特性を有する触覚アクチュエータにおいて、パルス波である電流が印加されるときタッピング及び振動の閾値周波数を示すグラフである。

図１９～図２２を参照すれば、パルス波である電流を入力するときの振動部の波形は方形波である電流を入力するときと類似の形態を有することが確認される。したがって、触覚アクチュエータに閾値周波数以下のパルス波である電流が印加されれば、触覚アクチュエータはユーザに「タッピング」の触感を提供し、閾値周波数以上のパルス波である電流が印加されれば、触覚アクチュエータはユーザに「振動」の触感を提供する。

図１９～図２２を参照すれば、触覚アクチュエータの共振周波数が大きくなるほど、前記閾値周波数が大きくなる傾向を確認でき、前記傾向を図２３に示した。

一方、同一の共振周波数を有する触覚アクチュエータに対して、パルス波である電流を入力するときの閾値周波数は、方形波である電流を入力するときの閾値周波数より約２倍になることが確認される。

実施形態に係る触覚アクチュエータの制御方法において、第１設定周波数ｆ＿Ｈ及び第２設定周波数ｆ＿Ｌは、図２３に示された閾値周波数を考慮して設定され得る。

図２４～図２７は、それぞれ８０Ｈｚ、１２０Ｈｚ、１６０Ｈｚ及び１８０Ｈｚの共振周波数特性を有する触覚アクチュエータに入力される正弦波である電流の変化に応じて表示される振動部の波形を示す図であり、図２８は、互いに異なる共振周波数特性を有する触覚アクチュエータにおいて、正弦波である電流が印加されるときローリング及び振動の閾値周波数を示すグラフである。

図２４～図２７を参照すれば、各図面の右側列に示されたグラフのように、特定の周波数以上の正弦波である電流が印加されれば、振動部の波形が周期的なサイン波形状の振動力を形成することが分かる。したがって、前記条件で触覚アクチュエータはユーザに「振動」の触感を提供する。

一方、各図面の左側列に示されたグラフのように、特定の周波数以下の領域では振動部が周期的な振動力を形成することができず、グラフが部分的に崩れていることが確認される。周期的な振動力を形成できない振動部は、非周期的に上下運動の加速度を有するようになる。一方、正弦波の特性上、電流の大きさは滑らかに変化するため、上記のような運動によりユーザは「ローリング」の触感を感じることができる。

上述したように前記特定の周波数を基準にして、触覚アクチュエータがユーザに提供する触感は振動又はローリングによって区分される。

図２４～図２７を参照すれば、触覚アクチュエータの共振周波数が大きくなるほど前記閾値周波数が大きくなる傾向を確認することができ、前記傾向を図２８に示している。実施形態に係る触覚アクチュエータの制御方法において、第１設定周波数ｆ＿Ｈ及び第２設定周波数ｆ＿Ｌは、図２８に示された閾値周波数を考慮して設定される。

図２９は、他の実施形態に係る触覚アクチュエータの制御方法を示す図である。反対となる記載がない限り、図９を参照して説明した実施形態に係る触覚アクチュエータの制御
方法に対する内容は、他の実施形態にも適用され得る。

図２９を参照すれば、他の実施形態に係る触覚アクチュエータの制御方法において、ステップ１２０において、駆動モードが一般振動モードであれば、制御部は、印加される電流の周波数を第１設定周波数ｆ＿Ｈとして決定する。前記第１設定周波数ｆ＿Ｈは、図１８、図２３又は図２８を参照して、与えられた条件下で「振動」の触感を提供する最小周波数である第１閾値周波数よりも大きい値に設定される。

ステップ１２０において、駆動モードが一般振動モードでなければ、制御部は、駆動モードがタッピングモードであるか否かを決定する（１５０）。

ステップ１５０において、駆動モードがタッピングモードである場合、制御部は、印加される電流の周波数を第２設定周波数ｆ＿Ｌ１として決定する（１５１）。前記第２設定周波数ｆ＿Ｌ１は、図１８又は図２３を参照して与えられた条件下で、「タッピング」の触感を提供する最大周波数である第２閾値周波数よりも小さい値に設定される。

ステップ１５０において、駆動モードがタッピングモードではない場合、制御部は、印加される電流の周波数を第３設定周波数ｆ＿Ｌ２として決定する（１５２）。前記第３設定周波数ｆ＿Ｌ２は、図２８を参照して、与えられた条件下で「ローリング」の触感を提供する最大周波数である第３閾値周波数よりも小さい値に設定される。

一方、図１８、図２３及び図２８を参照すれば、理解されるように、同じ条件下で「ローリング」の触感を提供する最大周波数である第３閾値周波数は、「タッピング」の触感を提供する最大周波数である第２閾値周波数よりも大きいため、第３設定周波数ｆ＿Ｌ２は、第２設定周波数ｆ＿Ｌ１よりも高く設定される。一方、第１設定周波数ｆ＿Ｈの場合、第２設定周波数ｆ＿Ｌ１及び第３設定周波数ｆ＿Ｌ２よりも大きい値に設定される。言い換えれば、第２設定周波数ｆ＿Ｌ１よりも第３設定周波数ｆ＿Ｌ２が大きく、第３設定周波数ｆ＿Ｌ２よりも第１設定周波数ｆ＿Ｈが大きくてもよい。

以上の実施形態によれば、様々な触感をより感性的に伝達できる。また、人体が検出できる周波数範囲のうち、１６０Ｈｚ以下の周波数範囲で従来技術よりも効率よく触覚を提供することができる。また、１つの触覚提供装置を介して、１６０Ｈｚ以下の周波数範囲内で少なくとも２以上の互いに異なる触覚を提供することができる。

以上述した実施形態は、本発明の好ましい実施形態を説明したものに過ぎず、本発明の権利範囲は説明された実施形態に限定されるものではなく、この分野の当業者によって本発明の技術的な思想及び特許請求の範囲内における様々な変更、変形又は置換可能になり、そのような実施形態は本発明の範囲に属するものと見なければならない。

Claims (11)

1. コイルを含み、前記コイルに印加される電流によって発生する磁場によって駆動される触覚アクチュエータの制御方法であって、
   駆動情報に基づいて、予め設定された複数個の駆動モードのうちいずれか１つの駆動モードを決定するステップと、
   前記決定された駆動モードに基づいて、前記コイルに印加する電流の周波数を決定するステップと、
   前記コイルに電流を印加するステップと、を含み、
   前記駆動モードは、
   前記触覚アクチュエータの共振周波数で駆動される第１モードと、
   前記触覚アクチュエータの臨界周波数未満で駆動される第２モードと、を含み、
   前記臨界周波数は、入力された電流によって発生する波形が崩れる形状を示さず、周期的な形状の振動を形成する最小周波数であり、
   前記第１モードは、振動を提供するモードであり、
   前記第２モードは、タッピングまたはローリングを提供するモードである、触覚アクチュエータの制御方法。
2. 前記触覚アクチュエータの共振周波数は、１６０Ｈｚ以下である、請求項１に記載の触覚アクチュエータの制御方法。
3. 前記触覚アクチュエータの前記臨界周波数は、前記触覚アクチュエータの共振周波数の１／３以下の値である、請求項１に記載の触覚アクチュエータの制御方法。
4. 前記駆動情報は、前記触覚アクチュエータと連結されたデバイスから再生される映像又は音源である、請求項１に記載の触覚アクチュエータの制御方法。
5. 前記駆動モードを決定するステップは、前記映像又は音源に予め設定されたパターンが含まれているか否かによってリアルタイムで決定される、請求項４に記載の触覚アクチュエータの制御方法。
6. 前記タッピング又は前記ローリングは、印加される電流の波形が方形波、パルス波及び正弦波のうち少なくとも１つの波形である時に提供される、請求項１に記載の触覚アクチュエータの制御方法。
7. コイルを含み、前記コイルに印加される電流によって発生する磁場によって駆動される触覚アクチュエータの制御方法であって、
   駆動情報に基づいて、予め設定された複数個の駆動モードのうちいずれか１つの駆動モードを決定するステップと、
   前記決定された駆動モードに基づいて、前記コイルに印加する電流の周波数を決定するステップと、
   前記コイルに電流を印加するステップと、を含み、
   前記駆動モードは、
   前記触覚アクチュエータの共振周波数で駆動される第１モードと、
   前記触覚アクチュエータの臨界周波数未満で駆動される第２モードと、を含み、
   前記臨界周波数は、印加された電流によって発生する波形が崩れる形状を示さず、周期的な形状の振動を形成する最小周波数であり、
   前記第１モードは、振動を提供するモードであり、
   前記第２モードは、タッピングまたはローリングを提供するモードであり、
   前記駆動モードがローリングを提供するモードであれば、前記印加される電流の波形は、方形波またはパルス波であり、
   前記駆動モードがタッピングを提供するモードであれば、前記印加される電流の波形は、正弦波である、触覚アクチュエータの制御方法。
8. 前記タッピングを提供するための電流の周波数は、前記ローリングを提供するための電流の周波数よりも低い、請求項１に記載の触覚アクチュエータの制御方法。
9. 前記触覚アクチュエータは、
   内部に収容空間を形成するハウジング、前記収容空間の少なくとも一部をカバーするキャップ、前記収容空間内に配置される振動部、前記振動部が前記ハウジングに対して振動可能に前記ハウジング及び前記振動部を連結する弾性部材、及び前記振動部を駆動するための磁場を形成する前記コイルを含む、請求項１に記載の触覚アクチュエータの制御方法。
10. 前記振動部の質量が２ｇ以下である場合、前記弾性部材の弾性係数を２．０２１Ｎ／ｍｍ以下に設定して、前記触覚アクチュエータの共振周波数を１６０Ｈｚ以下にし、
    前記振動部の質量が２ｇ以上である場合、前記弾性部材の前記弾性係数を２．０２１Ｎ／ｍｍ以上に設定して、前記触覚アクチュエータの共振周波数を１６０Ｈｚ以下にする、請求項９に記載の触覚アクチュエータの制御方法。
11. コイルを含み、前記コイルに印加される電流によって発生する磁場によって駆動される触覚アクチュエータを用いて触感を提供するデバイスの制御方法であって、
    駆動情報に基づいて、予め設定された複数個の駆動モードのうちいずれか１つの駆動モードを決定するステップと、
    前記決定された駆動モードに基づいて、前記コイルに印加する電流の周波数を決定するステップと、
    前記コイルに電流を印加するステップと、を含み、
    前記駆動モードは、
    前記触覚アクチュエータの共振周波数で駆動される第１モードと、
    前記触覚アクチュエータの臨界周波数未満で駆動される第２モードと、を含み、
    前記臨界周波数は、入力された電流によって発生する波形が崩れる形状を示さず、周期的な形状の振動を形成する最小周波数であり、
    前記第１モードは、振動を提供するモードであり、
    前記第２モードは、タッピングまたはローリングを提供するモードである、デバイスの制御方法。

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