JP2010176290A - 力覚提示装置、並びに、これを備えた表示装置及び携帯型装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で力を効率よく発生させて提示能力を向上させ、低コスト化、小型化および軽量化を図るとともに、高い信頼性を得ることのできる力覚提示装置を提供することにある。
【解決手段】力覚提示装置１０において、モータ１２で回転駆動される回転体１３によりリンクアーム１４を揺動させることによって、アーム１４の揺動中心の回転ピン１７から離間した側の他端１４ｂに設けた錘１５が、一方の側（正方向）に揺動するときと、他方の側（負方向）に揺動するときとで、揺動に要する時間、加速度変化（躍動の度合い）を異ならせるようにした。これにより、この力覚提示装置１０を内蔵した携帯型情報端末を保持したユーザは、力覚提示装置１０によって提示される一方の側への力を認識する。
【選択図】図２

Description

本発明は、力覚を提示する力覚提示装置、並びに、これを備えた表示装置及び携帯型装置に関する。

近年の技術の発展に伴い、情報提供装置として、視覚や聴覚だけでなく、手ごたえなどの力を知覚させることで情報伝達手段とする、力覚提示装置が開発されつつある（例えば、特許文献１、非特許文献１参照。）。

例えば、特許文献１に記載の技術においては、モータにより錘を直線的に往復動させ、このときに、錘が発生する正方向における加速度の絶対値の最大値と、負方向における加速度の絶対値の最大値が異なるものとする。さらに錘が加速度を発生している時間が、加速度の絶対値の大きい方向が小さい方向より短くなるようにする。これにより、装置の外部や人体に固定することなく、あたかも加速度の絶対値の大きい方向に力が作用しているように力を伝達することができる。

具体的には、特許文献１に記載の技術においては、このような錘の動作を実現するために、図６に示すように、モータによって回転駆動される円盤状の回転部材２の外周部と、レール３に沿って直線移動自在な錘４とを、リンク５を介して連結している。モータ１により回転部材２が回転すると、回転部材２の外周部に連結されたリンク５の一端が円運動し、このリンク５の他端に連結された錘４が、レール３に沿って直線往復動するようになっている。

特開２００６−６５６６５号公報（図１、図４、図５、図７）

雨宮智浩、安藤英由樹、前田太郎、「知覚の非線形性を利用した非設置型力覚惹起手法の提案と評価」、日本バーチャルリアリティー学会論文Ｖｏｌ１１，Ｎｏ１，２００６

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術には、下記に示すような問題が存在する。
まず、第１の問題点は、力の提示能力が低いということである。なぜなら、図６、図７に示すように、錘４に連結されたリンク５の中間部のリンクジョイント部６は、力を提示したい方向とはほぼ垂直方向に変形した楕円運動をする。提示方向とほぼ垂直に移動するリンクジョイント部６は当然重量を持っており、錘４が加速度運動をするときには同時にリンクジョイント部６が反力を提示してしまい、本来提示したい加速度方向の力の方向と、リンクジョイント部６が意図せず提示してしまう力の方向とがほぼ直交してしまうことになる。すると、装置で提示する力の方向は、錘４の運動方向と、錘４の運動方向と直交する方向の成分を含むリンクジョイント部６の運動方向との合成方向となり、錘４の運動方向から逸れてしまうからである。

第２の問題点は、力発生原理の効率の悪さである。錘４と連結したリンク５の端点の楕円運動の一方向の運動成分のみを取り出しているためであるが、錘４の移動距離よりも、錘４を移動させるリンク５のリンクジョイント部６における、錘４の運動方向に直交する方向への変位量の方が大きい。

第３の問題点は、壊れやすいということである。なぜなら錘４に接続されるリンク５は変位量が錘４よりも大きいため、破損や脱落の危険性が増す。また例えば提示方向を正にとった場合、微小な加速度で正に速度を増加させ、その後、負の方向へ急激に加速を増加させることは、リンク５の連結軸部への負荷も同様に増加させてしまう。さらにその負荷とは一方向への負荷のみであるため、リンク５の連結軸部の偏摩耗等を招く。

第４の問題点は、小型化、軽量化が困難ということである。第２の問題点および第３の問題点を解決するためには、錘４を増加させるかリンク５を長くすれば良いが、これでは小型化や軽量化には不向きであり、特に、本発明の主な適用対象としている携帯型モバイル機器には向かない。

第５の問題点は、機器が複雑で高価になるということである。錘４を運動させるために、リンク５が２つの部材から構成され、部品点数が増えるとともにその組立の手間も増えるためである。

そこでなされた本発明の目的は、簡易な構成で力を効率よく発生させて提示能力を向上させ、低コスト化、小型化および軽量化を図るとともに、高い信頼性を得ることのできる力覚提示装置を提供することにある。

かかる目的のもとになされた本発明の力覚提示装置は、駆動源により回転駆動される回転体と、質量を有した質量部と、回転体の一部に連結されているとともに、質量部が取り付けられ、回転体の回転運動を変換して、一方向に沿って周期的に往復動する成分を含んだ運動を質量部にさせる往復機構と、を有し、往復機構によって変換される質量部の運動における一方向に沿った周期的な往復動のうち、一方の側から他方の側へ向かう方向の運動の加速度の変化率が、他方の側から一方の側へ向かう方向の運動の加速度の変化率よりも大きいことを特徴とする。

本発明によれば、往復機構によって一方向に沿った往復動作に変換される質量部の運動において、一方の側から他方の側へ向かう方向の運動の加速度の変化率を、他方の側から一方の側へ向かう方向の運動の加速度の変化率よりも大きくすることで、一方の側から他方の側へ向かう方向の周期的な力を提示することができる。
このように、力を提示する往復機構を１つとし、該往復機構によって質量部を往復動させてこの往復方向に沿って加速度の変化率の相違に応じて力を提示することができるので、提示する力を減少させる運動を抑え、提示能力を向上させることができる。また、上記のように回転体、回転体を回転させる駆動源、及び、回転体を往復動させる往復機構による単純な機構によって実現でき、それ故に低コスト化、小型化および軽量化を図るとともに、高い信頼性を得ることができる。

本発明の第１実施形態にかかる力覚提示装置を内蔵した携帯情報端末の一例を示す斜視図である。 力覚提示装置の内部構造を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。 力覚提示装置が動作したときの回転体の回転角度と、錘の変位との関係を示す図である。 一方から他方にリンクアームが揺動するときと、他方から一方にリンクアームが揺動するときの、回転体の回転角度の違いを示す図である。 （ａ）は、図３の変位を時間で微分したときの錘の移動の速度を示し、（ｂ）は、（ａ）の速度を時間で微分した加速度を示し、（ｃ）は（ｂ）の加速度を時間で微分した躍動を示す図である。 従来の力覚提示装置の構造を示す図である。 図６に示した力覚提示装置を動作させたときの錘とリンク部材の動作を示す図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の力覚提示装置１０を内蔵した携帯情報端末１００の外観を示す図である。力覚提示装置１０は、携帯型装置である携帯情報端末１００のように可搬性を有する機器に内蔵される。
図２に示すように、力覚提示装置１０は、ケース１１内に、モータ１２と、回転体１３と、リンクアーム（往復機構、アーム部材）１４と、錘（質量部）１５と、を備える。

ケース１１は薄型箱状であるが、その機能は主に力覚提示装置１０の各部品を支持することにある。したがって、ケース１１の形状については何ら限定するものではなく、ケース１１に代えて、携帯情報端末１００の他の部品や筐体等に力覚提示装置１０の各部品を支持させる構成とすることも可能である。

モータ１２は、ケース１１の一側面に固定され、その回転軸１２ａをケース１１の内方に突出させている。
回転体１３は、例えばアーム状であり、その一端が回転軸１２ａに固定されている。回転体１３の他端には、後述のごとく回転体１３をリンクアーム１４にスライド自在に連結するためのスライド軸（スライド部材）１６が設けられている。
ここで、回転体１３は、アーム状に限らず、円板状等とすることができる。回転体１３を円板状とした場合には、その中心部を回転軸１２ａに固定し、外周部にスライド軸１６を設ける。このような回転体１３は、モータ１２に外部から電圧を印加して回転軸１２ａを所定の方向に回転させると、この回転軸１２ａと一体に回転し、その結果、回転軸１２ａを中心としてスライド軸１６が円周軌跡Ｌに沿って旋回する。

リンクアーム１４は、一方向に延びた板状（短冊状）で、回転体１３（すなわち回転軌跡Ｌ）の外周側の、回転体１３の回転中心の一方の側において、ケース１１に固定された回転ピン１７に回転自在に連結されている。本実施の形態においては、回転体１３の外周側において、回転体１３の回転中心の一方の側に位置するリンクアーム１４の一端１４ａが、回転ピン１７に回転自在に連結されている。この、リンクアーム１４に対する回転ピン１７の連結位置は、回転体１３の回転中心の一方の側に位置するのであればいかなる位置であっても良い。

リンクアーム１４には、その長手方向に沿って延在するスライドガイド孔（スライド溝）１８が貫通形成されている。スライドガイド孔１８には、前記の回転体１３に設けられたスライド軸１６が、スライドガイド孔１８に沿って移動自在に連結されている。
これにより、モータ１２により回転体１３が回転すると、スライド軸１６の旋回にともなって、スライド軸１６がスライドガイド孔１８に沿ってスライド移動し、その結果、リンクアーム１４は、回転ピン１７を中心として揺動する。回転ピン１７を中心としたリンクアーム１４の揺動範囲は、スライド軸１６の回転軌跡である円周軌跡Ｌの両側と、回転ピン１７とを結んだ位置、すなわちスライド軸１６の円周軌跡Ｌの両側の接線方向にリンクアーム１４が位置したときを最大振幅とする範囲内である。

錘１５は、このように揺動するリンクアーム１４に、バネ（弾性部材）１９を介して連結されている。本実施の形態において、錘１５は、一端１４ａが回転ピン１７に連結されたリンクアーム１４の他端１４ｂに連結されている。
ただし、錘１５のリンクアーム１４に対する連結位置はこれに限るものではない。スライドガイド孔１８に沿ったスライド軸１６のスライド移動や、回転ピン１７に干渉しない位置であれば、錘１５はいかなる場所に設けても良い。しかしながら、錘１５によるモーメント効果を最大限に発揮するには、錘１５は、リンクアーム１４において、揺動の中心となる回転ピン１７から、できるだけ離れた位置に設けるのが好ましい。したがって、リンクアーム１４において、回転ピン１７から最も離れた他端１４ｂにこれを設けるのが好ましい。

このような構成の力覚提示装置１０においては、モータ１２によって回転体１３を回転させると、スライド軸１６がスライドガイド孔１８に沿ってスライド移動し、その結果、リンクアーム１４が回転ピン１７を中心として揺動する。リンクアーム１４が揺動すると、錘１５は、リンクアーム１４に対する連結位置（すなわち他端１４ｂ）における円弧状の移動軌跡Ｔにほぼ沿って移動する。このとき、遠心力により、錘１５は、リンクアーム１４に対し、その揺動方向の外周側に位置することになる。

ここで、リンクアーム１４の動作について検証する。
モータ１２の回転軸１２ａを中心とした回転体１３の回転角度［ｒａｄ］と、リンクアーム１４において錘１５が連結された位置Ｐの変位との関係を図３に示した。
ここで、図４に示すように、リンクアーム１４における位置Ｐの変位は、回転体１３の回転中心、すなわちモータ１２の回転軸１２ａと、リンクアーム１４の回転中心、すなわち回転ピン１７とを結ぶ中心線ＣＬを中心とした振幅Ｙとし、中心線ＣＬを挟んだ一方の側（図４において右側）へのリンクアーム１４の振幅Ｙを正（＋）、他方の側への振幅Ｙを負（−）とする。
またモータ１２は定速運転するものとし、これにより回転体１３は等速回転運動をする。したがって、図３の横軸の回転角度は時間を表すものとしても良い。

さて、図４に示すように、リンクアーム１４が最大振幅Ｙ＿ｍａｘ、−Ｙ＿ｍａｘとなるとき、スライド軸１６の円周軌跡Ｌに対するリンクアーム１４の接点Ａと回転体１３の回転中心とを結ぶ線の、中心線ＣＬに対する角度Ｂは、リンクアーム１４の回転中心である回転ピン１７がスライド軸１６の円周軌跡Ｌの一方の側にあるので、常に
Ｂ＜π／２ ・・・（１）
である。

リンクアーム１４が負側の最大振幅−Ｙ＿ｍａｘの位置から正側の最大振幅Ｙ＿ｍａｘに揺動するとき、回転体１３の回転角度θ１は、
θ１＝２Ｂ ・・・（２）
となる。
一方、リンクアーム１４が正側の最大振幅Ｙ＿ｍａｘの位置から負側の最大振幅−Ｙ＿ｍａｘに揺動するとき、回転体１３の回転角度θ２は、
θ２＝２π−２Ｂ ・・・（３）
となる。

したがって、前記（１）の関係より、
θ１＜π ・・・（４）
θ２＞π ・・・（５）
であり、（４）、（５）の関係から、常に
θ１＜θ２
であるといえる。
これはすなわち、回転体１３は、リンクアーム１４が負側の最大振幅−Ｙ＿ｍａｘの位置から正側の最大振幅Ｙ＿ｍａｘに揺動するとき（以下、これを正方向への揺動と称することがある）の方が、リンクアーム１４が正側の最大振幅Ｙ＿ｍａｘの位置から負側の最大振幅−Ｙ＿ｍａｘに揺動するとき（以下、これを負方向への揺動と称することがある）よりも回転角が小さく、回転に要する時間も短いことを示している。

図５（ａ）は、図４の変位を時間で微分して移動するときの位置Ｐの速度を示し、図５（ｂ）は、図５（ａ）の速度を時間で微分した加速度を示し、図５（ｃ）は図５（ｂ）の加速度を時間で微分した躍動を示している。
図５（ｂ）に示すように、本発明の力覚提示装置１０では、リンクアーム１４において錘１５が連結された位置Ｐに生じる加速度は、正方向への揺動と負方向への揺動とでは、絶対値が同一である。また加速度の絶対値の最大値も同一であることを示している。
図３に示したように、回転体１３に反時計回りの入力を与えた場合、リンクアーム１４が負方向へ揺動するのに要する時間は、正方向へ揺動するのに要する時間よりも長い。これはすなわち、図５（ａ）に示したように、リンクアーム１４が正方向に揺動する間に、最大移動速度を発揮するとともに、図５（ｂ）に示すように、正（加速方向）の最大加速度と、負（減速方向）の最大加速度を発揮し、さらに図５（ｃ）で示した負方向への加速度変化が最大となる。

錘１５およびリンクアーム１４が上記のような運動を行うことにより、力覚提示装置１０を内蔵した携帯情報端末１００を保持している利用者は、まず錘１５が正方向の加速度を生じているため、ケース１１からその反力の負方向の力Ｄ１を受けるが、さらに時間が進むと錘１５には負方向の加速度が生じ、利用者は、ケース１１からその反力の正方向への力Ｄ２を受け、この力Ｄ２の方が大きく感じる。したがって、感覚として、正方向への力感あるいは引っ張り感を強く感じることとなる。つまり図５（ｃ）に示す−方向への躍動（加速度の時間変化率）を強く感じる。
例えば手のひらで力覚提示装置１０を内蔵した携帯情報端末１００を把持している場合には正方向への力覚を提示することになる。実際に、このような力覚提示装置１０を内蔵したケース１１を被験者２０人に把持させ、モータ１２を回転させて力覚提示装置１０を作動させた場合には、力による提示方向を１００％正しく確認することができた。

上述したような力覚提示装置１０においては、モータ１２により回転駆動される回転体１３によりリンクアーム１４を揺動させることによって、アーム１４の揺動中心（回転ピン１７）から離間した側である他端１４ｂの錘１５が、一方の側（図４の例では正方向）に揺動するときと、他方の側（図４の例では負方向）に揺動するときとで、揺動に要する時間、加速度変化（躍動の度合い）を異ならせるようにした。これにより、この力覚提示装置１０を内蔵した携帯型情報端末１００を保持したユーザは、力覚提示装置１０によって提示される一方の側への力Ｄ１を正しく認識することができる。
この力は、リンクアーム１４自体の質量のみでも発揮することができるが、本実施の形態においては、それに加え、リンクアーム１４の他端１４ｂに錘１５が連結されているので、その力は顕著なものとなる。
さらに本実施の形態では、この錘１５がバネ１９によってリンクアーム１４に連結されているので、錘１５を備えた効果は一層顕著になる。
このような携帯型情報端末１００は、ユーザが、手で持ったりポケット等に収納したり体の一部に装着したりできる可搬性を有するため、発生する力（力覚）を様々な用途に用いることが可能である。

このような力覚提示装置１０は、モータ１２、回転体１３、リンクアーム１４を最低限備えることで実現でき、動作は、回転体１３の回転と、これによるリンクアーム１４の揺動のみである。このように、リンク機構を一つのみとし、リンクアーム１４の他端部１４ｂ側における運動を、力を提示したい方向の運動のみとし、力を提示したい方向と直交する方向の運動を行わない構造としたため、効率の良い力の提示を行える。
なお、厳密に言えば、リンク１４の他端部１４ｂにおいても、力を提示したい方向と直交する方向、すなわちリンクアーム１４の他端部１４ｂの円弧状の運動に対する径方向の運動が生じているが、リンクアーム１４の他端部１４ｂにおける移動軌跡Ｔは、力を提示したい方向に近似しているため、前記の径方向への運動は無視できるレベルであり、リンクアーム１４の運動のほとんどを力の発生に有効に利用できている。

また、力覚提示装置１０の構成部品が少なくて済むので、装置の低コスト化、小型化、軽量化を図ることができ、そのアセンブリやメンテナンスも容易かつ効率的に行え、携帯型情報端末１００への搭載も容易である。
さらに、リンクアーム１４が正方向に揺動するときと負方向に揺動するときとで、加速度の絶対値は同じであるため、スライド軸１６、回転ピン１７等にも偏りのない負荷となり、偏摩耗等も生じにくく、装置耐久性を向上させることができる。

なお、上述した実施形態で示したケース１１、回転軸１２ａ、回転体１３、リンクアーム１４、錘１５、スライド軸１６、回転ピン１７、バネ１９の材料は、樹脂、金属等を利用できるが、一定の材料強度を有するものであれば特に限定はない。
モータ１２は、現在モバイル端末機器に搭載されているバイブレーション用のモータを使用することができるが、特に限定しない。また錘１５、バネ１９は発揮したい提示力により、使用しなくてもよい。
また回転軸１２ａ、スライド軸１６、回転ピン１７等には、摺動に強いメッキ膜を形成したり、グリス等の潤滑剤を塗布するのが好ましい。

本実施形態において、本発明の力覚提示装置１０を携帯型情報端末１００に内蔵するものとしたが、携帯型情報端末１００としては、携帯型電話端末、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）等の携帯型モバイル機器、携帯型ナビゲーション装置、ウェアラブルコンピュータ等をはじめとする各種の携帯機器がある。また、携帯型情報端末に限らず、携帯型ゲーム機、各種機器のコントローラ（有線／無線を問わず）等にも本発明の力覚提示装置１０を備えることができる。
また、力覚提示装置１０で発揮する力覚の用途や使用方法についても何ら限定する意図は無い。例えば、仮想的な物体の動作情報が記憶された制御部を備え、該動作情報と対応して駆動源を駆動させて、仮想的な物体の動作に応じた力を提示可能な構成としても良い。
また、前記力覚提示装置を、画像を表示するディスプレイと、該ディスプレイに表示する画像を生成する制御部とを備える表示装置に搭載し、ディスプレイに表示する画像と対応して駆動源を駆動させるものとしても良い。このような表示装置では、単にディスプレイに表示する物体が移動するのに応じて力を提示するのに限られず、例えばナビゲーション装置として、進路方向等を示すナビゲーション情報の一つとして、次に進むべき方向を力に提示することができる。また、作業手順を示す情報端末として用いる場合、行うべき作業における移動方向等を力により提示することができる。

１０ 力覚提示装置
１１ ケース
１２ モータ
１２ａ 回転軸
１３ 回転体
１４ リンクアーム（往復機構、アーム部材）
１５ 錘（質量部）
１７ 回転ピン
１６ スライド軸（スライド部材）
１８ スライドガイド孔（スライド溝）
１９ バネ（弾性部材）
１００ 携帯情報端末

Claims (11)

1. 駆動源により回転駆動される回転体と、
   質量を有した質量部と、
   前記回転体の一部に連結されているとともに、前記質量部が取り付けられ、前記回転体の回転運動を変換して、一方向に沿って周期的に往復動する成分を含んだ運動を前記質量部にさせる往復機構と、
   を有し、
   前記往復機構によって変換される前記質量部の前記運動における一方向に沿った周期的な往復動のうち、一方の側から他方の側へ向かう方向の運動の加速度の変化率が、前記他方の側から前記一方の側へ向かう方向の運動の加速度の変化率よりも大きいことを特徴とする力覚提示装置。
2. 前記往復機構の前記質量部の前記運動における、一方向に沿った周期的な往復動は、一方の側から他方の側へ向かう方向の運動の加速度の絶対値と、前記他方の側から前記一方の側へ向かう方向の運動の加速度の絶対値とが等しいことを特徴とする請求項１に記載の力覚提示装置。
3. 前記往復機構は、
   回転ピンに回転自在に支持され、前記質量部が取り付けられたアーム部材と、
   前記アーム部材に、一方向に延びて形成されたスライド溝と、
   前記回転体に設けられ、前記スライド溝にスライド自在に連結されたスライド部材と、
   を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の力覚提示装置。
4. 前記アーム部材は、前記回転体が回転したときの前記スライド部材の回転軌跡の径方向外側において、前記回転ピンにより回転自在に支持されていることを特徴とする請求項３に記載の力覚提示装置。
5. 前記質量部は、弾性部材を介して前記アーム部材に取り付けられていることを特徴とする請求項４に記載の力覚提示装置。
6. 前記駆動源は一方向または双方向に前記回転体を回転可能なモータであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の力覚提示装置。
7. 仮想的な物体の動作情報が記憶され、該動作情報と対応して前記駆動源を駆動させる制御部を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の力覚提示装置。
8. 請求項１から６のいずれかに記載の力覚提示装置と、
   画像を表示するディスプレイと、
   該ディスプレイに表示する画像を生成するとともに、該画像と対応して前記駆動源を駆動させる制御部を備えることを特徴とする表示装置。
9. 前記制御部は、前記画像としてナビゲーション情報を前記ディスプレイに表示して、該ナビゲーション情報における進行方向または作業手順情報における方向と対応して前記駆動源を駆動させることを特徴とする請求項８に記載の表示装置。
10. 請求項１から６のいずれかに記載の力学提示装置を備え、可搬性を有することを特徴とする携帯型装置。
11. 身体に装着するための装着部を備えることを特徴とする請求項１０に記載の携帯型装置。

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