JP4658983B2 - Acceleration generator - Google Patents
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Description
本発明は、手応えのような力覚をユーザに知覚させる技術に関し、特に、その反作用力を支持する支点や力点を外部や人体に必要とせず、物理的な作用力としての平均はゼロのままでありながら力覚を知覚させる装置に関する。 The present invention relates to a technique for allowing a user to perceive a force sense such as responsiveness, and in particular, a fulcrum or a power point that supports the reaction force is not required for the outside or the human body, and the average as a physical action force remains zero. It is related with the apparatus which perceives force sense though it is.
視聴覚チャンネル以外の情報提供チャンネルとして手応え等の力覚チャンネルの開発が進められている。従来の力覚研究は接地型、非接地型の2つに分類することができる。接地型は、発生させる力覚の反作用力を支持する支点や力点を外部或いは人体に固定する形態であり、非接地型は、このような支点・力点を用いない形態である(例えば、非特許文献1、特許文献1参照)。
しかし、従来の力覚発生手法では、モバイル機器やウェアブルコンピューティングなどの可搬型機器分野への応用が困難であったという問題点がある。
Development of haptic channels, such as response, is underway as an information provision channel other than audiovisual channels. Conventional force research can be classified into two types: grounded and non-grounded. The grounding type is a form in which a fulcrum or force point that supports the reaction force of the force sense to be generated is fixed to the outside or a human body, and the non-grounding type is a form that does not use such a fulcrum / power point (for example, non-patent
However, the conventional force generation method has a problem in that it is difficult to apply it to the field of portable devices such as mobile devices and wearable computing.
例えば、外部に支点・力点を固定する接地型(例えばSPIDERやPHANTOMなど)の場合、自由な移動を伴うモバイル機器やウェアラブルコンピューティングなどの分野ヘの応用は困難である。また、支点・力点を作用点以外の身体部位に設ける接地型の場合、提示した力覚情報の反作用力も人体に加わるため、この力覚情報によって正確な方向情報を提示することは困難であり、さらにユーザに対する負荷が大きいという問題もある。 For example, in the case of a grounding type (for example, SPIDER or PHANTOM) that fixes a fulcrum / power point to the outside, it is difficult to apply it to fields such as mobile devices and wearable computing that involve free movement. In addition, in the case of a ground contact type in which a fulcrum / power point is provided in a body part other than the action point, the reaction force of the presented haptic information is also added to the human body, so it is difficult to present accurate direction information by this haptic information, There is also a problem that the load on the user is large.
これに対し、本願の発明者は、反作用力を支持する支点や力点を設けることなく時間的に安定した力覚を知覚させる手法を提案している(例えば、非特許文献2、特許文献2参照)。この手法は、回転動力に対してリンク機構等を適用して正負の絶対値が大きく異なる加速度を発生し、それにより疑似的な力覚を知覚させるものである。
しかし、非特許文献2や特許文献2の手法では、回転動力を並進運動に変換するものであり、回転動力を与え続けなければ並進運動を継続することができない。そのため、エネルギーの利用効率が悪いといった問題点がある。
また、非特許文献2や特許文献2の手法は、一旦発生させた回転動力をリンク機構等によって並進運動に変換するものである。そのため、当該手法を用いた装置には、例えば、回転動力を得るためのモータや回転動力を並進運動に変換するためのリンク機構等が必要となり、装置を小型・軽量化することが困難であるといった問題点もある。
However, the methods of Non-Patent Document 2 and Patent Document 2 convert rotational power into translational motion, and translational motion cannot be continued unless rotational power is continuously applied. Therefore, there is a problem that the efficiency of energy use is poor.
Further, the methods of Non-Patent Document 2 and Patent Document 2 convert the rotational power once generated into a translational motion by a link mechanism or the like. Therefore, for example, a device using the method requires a motor for obtaining rotational power, a link mechanism for converting rotational power into translational motion, and the like, and it is difficult to reduce the size and weight of the device. There is also a problem.
さらに、非特許文献2や特許文献2の手法は、発生させる加速度の時間変化を任意に設定することが困難であるといった問題点もある。すなわち、非特許文献2や特許文献2の手法の場合、発生する加速度の時間変化の自由度はリンク機構等の基本構造によって制限され、回転動力の回転速度やリンク機構等の寸法の最適化だけでは、発生させる加速度の時間変化を任意に設定できない。 Furthermore, the methods of Non-Patent Document 2 and Patent Document 2 also have a problem that it is difficult to arbitrarily set the time change of the acceleration to be generated. That is, in the methods of Non-Patent Document 2 and Patent Document 2, the degree of freedom of the time change of the generated acceleration is limited by the basic structure such as the link mechanism, and only the rotation speed of the rotational power and the dimension of the link mechanism, etc. are optimized. Thus, it is not possible to arbitrarily set the time change of the acceleration to be generated.
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、反作用力を支持する支点や力点を外部や人体に設けることなく力覚を知覚させ、なおかつ、エネルギーの利用効率が高く、装置の小型・計量化が可能であり、発生させる加速度の時間変化を任意に設定可能な技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and allows a force sense to be perceived without providing a fulcrum or a force point for supporting a reaction force on the outside or the human body, and has a high energy utilization efficiency, and is small in size. -It aims at providing the technique which can be measured and can set the time change of the generated acceleration arbitrarily.
本発明では上記課題を解決するために、曲面を具備するカムと、上記カムの曲面に対する相対位置が固定された第1線上に移動が制限され、当該第1線上で周期的な並進運動を行う移動部材と、上記移動部材に対する相対位置が固定された第2線上に移動が制限され、さらに上記カムの曲面に支持されて、上記カムの曲面に沿った移動運動を行うカムフォロワと、上記移動部材と上記カムフォロワとの距離に依存する位置エネルギーを保存する機構であって、発生した力を上記カムフォロワに与え、上記カムフォロワを上記カムの曲面に押し付けるエネルギー保存機構と、を具備し、上記カムフォロワと上記移動部材との距離は、上記移動部材の位置に応じ、上記カムの曲面形状に従って変化し、上記カムの曲面は、第1領域面と第2領域面とを具備し、上記エネルギー保存機構によって上記カムフォロワに加えられる力の方向を基準とした上記第1領域面の角度と、上記エネルギー保存機構によって上記カムフォロワに加えられる力の方向を基準とした上記第2領域面の角度とは、それらの正負及び絶対値が異なり、上記移動部材の一周期中での加速度の時間変化は、当該加速度の向きが上記第1線に沿った一方向である正方向の場合と、当該加速度の向きが当該正方向の反対方向である負方向の場合とで非対称となる、ことを特徴とする加速度発生装置が提供される。 In the present invention, in order to solve the above-mentioned problem, the movement of the cam having a curved surface and the first line where the relative position of the cam to the curved surface is fixed is restricted, and periodic translational movement is performed on the first line. A moving member, a cam follower that is supported by the curved surface of the cam and that moves along the curved surface of the cam, and the moving member that is supported on the curved surface of the cam; And an energy storage mechanism for applying a generated force to the cam follower and pressing the cam follower against the curved surface of the cam, and the cam follower and the cam follower. The distance to the moving member changes according to the curved surface shape of the cam according to the position of the moving member, and the curved surface of the cam is a first region surface and a second region surface. And the second region surface based on the direction of the force applied to the cam follower by the energy storage mechanism and the direction of the force applied to the cam follower by the energy storage mechanism. The positive and negative and absolute values of the angle of the area surface are different, and the time change of the acceleration in one cycle of the moving member is a positive direction in which the direction of the acceleration is one direction along the first line. There is provided an acceleration generating device, characterized in that the direction of the acceleration is asymmetric between the direction of the acceleration and the negative direction which is the opposite direction of the positive direction.
ここで、カムフォロワは、移動部材に対する相対位置が固定された第2線上に移動が制限されているため、カムフォロワと移動部材とは相互に連動して移動する。また、カムフォロワは、エネルギー保存機構からの力を受けつつカムの曲面に支持されてカムの曲面に沿った移動運動を行い、移動部材は、カムの曲面に対する相対位置が固定された第1線上に移動が制限される。その結果、カムフォロワと移動部材との距離は、移動部材の位置に応じ、カムの曲面形状に従って変化する。さらに、エネルギー保存機構は、移動部材とカムフォロワとの距離に依存する位置エネルギーを保存する機構であるため、エネルギー保存機構がカムフォロワに与える力の大きさは移動部材の位置に応じて変化する。また、この力はカムフォロワをカムの曲面に押し付ける方向の力であるため、この力の方向とカムの曲面とがなす角度に応じた当該曲面からの反作用力がカムフォロワに与えられ、その力はカムフォロワと相互に連動して移動する移動部材に伝わる。すなわち、カムの曲面の形状(各位置の傾きや高さ)とカムフォロワや移動部材の位置とに応じた力が移動部材に与えられる。そして、カムの曲面は、第1領域面と第2領域面とを具備し、エネルギー保存機構によってカムフォロワに加えられる力の方向を基準とした第1領域面の角度と、エネルギー保存機構によってカムフォロワに加えられる力の方向を基準とした第2領域面の角度とは、それらの正負及び絶対値が異なる。そのため、移動部材の一周期中での加速度の時間変化は、当該加速度の向きが第1線に沿った一方向である正方向の場合と、当該加速度の向きが当該正方向の反対方向である負方向の場合とで非対称となる。そして、当該移動部材は、この加速度の時間変化に応じた第1線上での周期的な並進運動を行う。 Here, since the movement of the cam follower is restricted on the second line where the relative position with respect to the moving member is fixed, the cam follower and the moving member move in conjunction with each other. The cam follower is supported by the curved surface of the cam while receiving a force from the energy storage mechanism, and moves along the curved surface of the cam. The moving member is on the first line where the relative position to the curved surface of the cam is fixed. Movement is restricted. As a result, the distance between the cam follower and the moving member changes according to the curved surface shape of the cam according to the position of the moving member. Furthermore, since the energy storage mechanism is a mechanism that stores potential energy depending on the distance between the moving member and the cam follower, the magnitude of the force that the energy storage mechanism applies to the cam follower varies depending on the position of the moving member. Further, since this force is a force in a direction in which the cam follower is pressed against the curved surface of the cam, a reaction force from the curved surface according to an angle formed by the direction of this force and the curved surface of the cam is given to the cam follower, and the force is applied to the cam follower. It is transmitted to moving members that move in conjunction with each other. That is, a force corresponding to the shape of the curved surface of the cam (inclination and height of each position) and the positions of the cam follower and the moving member is applied to the moving member. The curved surface of the cam includes a first region surface and a second region surface. The angle of the first region surface based on the direction of the force applied to the cam follower by the energy storage mechanism and the cam follower by the energy storage mechanism. Their positive and negative and absolute values are different from the angle of the second region surface based on the direction of the applied force. Therefore, the time change of the acceleration in one cycle of the moving member is the case where the direction of the acceleration is a positive direction which is one direction along the first line, and the direction of the acceleration is a direction opposite to the positive direction. Asymmetrical with negative direction. And the said moving member performs the periodic translational movement on the 1st line according to the time change of this acceleration.
通常、物理的に完全な作用力を生じさせるためには、その反作用力を支持する支点や力点が必要となる。これに対し、本発明では、そのような支点や力点はなく、物理的な作用力としての平均はゼロのままである。しかし、本発明の移動部材は、正方向の加速度と負方向の加速度とが一周期中で非対称な並進運動を行う。そして、この移動部材の加速度の正負の絶対値の差、作用時間の差及び人間の力覚知覚の非線形性により、反作用力を支持する支点や力点を外部や人体に設けることなく、第1線方向へ擬似的な力覚を提示する(詳細は後述)。 Usually, in order to generate a physically perfect acting force, a fulcrum or a force point that supports the reaction force is required. On the other hand, in the present invention, there is no such fulcrum or force point, and the average as the physical acting force remains zero. However, the moving member of the present invention performs a translational motion in which the positive acceleration and the negative acceleration are asymmetric during one cycle. Then, due to the difference between the positive and negative absolute values of the acceleration of the moving member, the difference in action time, and the non-linearity of human force perception, the first line is provided without providing a fulcrum or force point for supporting the reaction force on the outside or the human body. A pseudo force sense is presented in the direction (details will be described later).
また、本発明の構成は、摩擦等の損失が存在せず、エネルギーが完全に保存されるのであれば、本発明の構成は移動部材の運動が永久に継続するものである。よって、本発明の加速度発生装置を駆動するために必要なエネルギーは、この損失分を補う程度のものであればよい。
また、発明の構成は回転運動を往復運動に変換するものではないため、回転動力を往復運動に変換する場合に必要な機構(リンクやクランク等)が不要となり、装置の小型・軽量化が可能となる。
Further, in the configuration of the present invention, if there is no loss such as friction and the energy is completely stored, the configuration of the present invention allows the movement of the moving member to be continued forever. Therefore, the energy required to drive the acceleration generator of the present invention only needs to compensate for this loss.
In addition, since the configuration of the invention does not convert rotational motion into reciprocating motion, the mechanism (link, crank, etc.) required for converting rotational power into reciprocating motion is not required, and the device can be reduced in size and weight. It becomes.
また、本発明の移動部材に与えられる加速度の時間変化は、カムの曲面の形状を設定することにより任意に設定できるため、設定可能な加速度の時間変化の自由度が高い。
また、上記移動部材の並進運動は、正方向の加速度の絶対値の最大値と、負方向の加速度の最大値とが異なり、当該最大値が大きい方向の加速度をもつ時間が、当該最大値が小さい方向の加速度をもつ時間よりも短い運動である。これにより、反作用力を支持する支点や力点を設けることなく時間的に安定した力覚を知覚させることが可能となる。
Further, the time change of the acceleration applied to the moving member of the present invention can be arbitrarily set by setting the shape of the curved surface of the cam, so that the degree of freedom of the change of the acceleration that can be set is high.
In addition, the translational movement of the moving member is different from the maximum absolute value of the positive acceleration and the maximum negative acceleration. The movement is shorter than the time with a small acceleration. This makes it possible to perceive a time-stable force sense without providing a fulcrum or force point that supports the reaction force.
また、上記移動部材の並進運動は、上記移動部材の加速度と、その加速度を人体に加えた際に人体の知覚する加速度と、の関係を示すS字型曲線の傾きが、上記移動部材の正方向の加速度の最大値点と負方向の加速度の最大値点とで異なる運動である。この移動部材の加速度の正負の絶対値の差、作用時間の差及び人間の力覚知覚の非線形性により、上記の特定の直線上の狙った方向ヘの擬似的な力覚を表示できる(詳細は後述)。 In addition, the translational movement of the moving member is such that the slope of the S-shaped curve indicating the relationship between the acceleration of the moving member and the acceleration perceived by the human body when the acceleration is applied to the human body is positive. The movement is different between the maximum acceleration point in the direction and the maximum acceleration point in the negative direction. The pseudo force sensation in the target direction on the specific straight line can be displayed by the difference in absolute value of the positive / negative acceleration of the moving member, the difference in action time, and the non-linearity of human force perception (details). Will be described later).
また、本発明において好ましくは、上記エネルギー保存機構によって上記カムフォロワに加えられる力の方向は、上記第1線方向と略垂直である。上述の本発明の加速度発生装置は、第1線方向へ擬似的な力覚を提示する。ユーザは自らの前後方向を第1線方向として加速度発生装置を手で把持するケースが多いと想定される。この場合、エネルギー保存機構によってカムフォロワに加えられる力の方向が第1線方向に近いと、ユーザの肘のバネ作用の影響によってカムフォロワに加えられる力に誤差が生じてしまう。例えば、肘バネのダンパ作用によってエネルギー保存機構によってカムフォロワに加えられる力を吸収してしまったり、逆に肘バネによってエネルギー保存機構によってカムフォロワに加えられる力の方向に余分な力が加えられてしまう。この影響が最少となるのは、エネルギー保存機構によってカムフォロワに加えられる力の方向が第1線方向と略垂直となる場合であり、これにより擬似的な力覚を的確に提示できる。 In the present invention, preferably, the direction of the force applied to the cam follower by the energy storage mechanism is substantially perpendicular to the first line direction. The acceleration generator of the present invention described above presents a pseudo force sense in the first line direction. It is assumed that there are many cases where the user grips the acceleration generating device with his / her hand in the first line direction as the first line direction. In this case, if the direction of the force applied to the cam follower by the energy storage mechanism is close to the first line direction, an error occurs in the force applied to the cam follower due to the spring action of the user's elbow. For example, the force applied to the cam follower by the energy storage mechanism is absorbed by the damper action of the elbow spring, or conversely, an extra force is applied in the direction of the force applied to the cam follower by the energy storage mechanism by the elbow spring. This effect is minimized when the direction of the force applied to the cam follower by the energy storage mechanism is substantially perpendicular to the first line direction, which makes it possible to accurately present a pseudo force sense.
また、本発明において好ましくは、上記カムの曲面が具備する上記第1領域面と上記第2領域面とは滑らかに接続される。これにより、第1領域面と第2領域面とが滑らかに接続されない場合に生じる段差によって不要の振動が生じたり、それによってエネルギーが損失してしまったりという事態を防止できる。 In the present invention, preferably, the first area surface and the second area surface provided on the curved surface of the cam are smoothly connected. Accordingly, it is possible to prevent a situation in which unnecessary vibration is generated due to a step generated when the first region surface and the second region surface are not smoothly connected, and energy is thereby lost.
また、本発明において好ましくは、上記カムは、特定の平面に対して鏡面対称な2つの曲面を具備し、上記第1線は、上記特定の平面上の線であり、上記カムフォロワは、上記特定の平面に対して鏡面対称に2つ設けられ、上記2つのカムフォロワは、上記特定の平面に対して鏡面対称に移動し、上記エネルギー保存機構は、上記移動部材の往復移動方向と異なる方向の力を、上記2つのカムフォロワに対し、上記特定の平面に対して鏡面対称に与える。このように移動部材の往復方向に対して対称な構成とすることにより、移動部材の往復方向以外の方向に生じた力を相殺することができ、擬似的な力覚を提示する移動部材の往復方向のみの力を発生させることができる。その結果、擬似的な力覚を的確に提示できる。さらに、このように移動部材の往復方向に対して対称な構成とした場合、移動部材の往復方向に対して非対称な構成とする場合に比べ、摩擦によるエネルギー損失を低減できる。 In the present invention, it is preferable that the cam has two curved surfaces that are mirror-symmetric with respect to a specific plane, the first line is a line on the specific plane, and the cam follower is the specific plane. The two cam followers move mirror-symmetrically with respect to the specific plane, and the energy storage mechanism has a force in a direction different from the reciprocating direction of the moving member. Is given to the two cam followers in mirror symmetry with respect to the specific plane. By adopting a symmetric configuration with respect to the reciprocating direction of the moving member in this way, the force generated in a direction other than the reciprocating direction of the moving member can be canceled, and the reciprocating of the moving member presenting a pseudo force sense Force in only the direction can be generated. As a result, a pseudo force sense can be accurately presented. Furthermore, when the configuration is symmetric with respect to the reciprocating direction of the moving member, energy loss due to friction can be reduced as compared with the case where the configuration is asymmetric with respect to the reciprocating direction of the moving member.
また、本発明において好ましくは、上記カムは、特定の直線に対して対称な複数の曲面を具備し、上記第1線は、上記特定の直線に沿った線であり、上記カムフォロワは、上記特定の平面に対して対称に複数設けられ、上記複数のカムフォロワは、上記特定の直線に対して対称に移動し、上記エネルギー保存機構は、上記移動部材の往復移動方向と異なる方向の力を、上記複数のカムフォロワに対し、上記特定の直線に対して対称に与える。 In the present invention, it is preferable that the cam has a plurality of curved surfaces symmetrical to a specific straight line, the first line is a line along the specific straight line, and the cam follower is the specific follower. The plurality of cam followers move symmetrically with respect to the specific straight line, and the energy storage mechanism applies a force in a direction different from the reciprocating direction of the moving member. A plurality of cam followers are provided symmetrically with respect to the specific straight line.
このように移動部材の往復方向に対して対称な構成とすることにより、移動部材の往復方向以外の方向に生じた力を相殺することができ、擬似的な力覚を提示する移動部材の往復方向のみの力を発生させることができる。その結果、擬似的な力覚を的確に提示できる。さらに、このように移動部材の往復方向に対して対称な構成とした場合、移動部材の往復方向に対して非対称な構成とする場合に比べ、摩擦によるエネルギー損失を低減できる。 By adopting a symmetric configuration with respect to the reciprocating direction of the moving member in this way, the force generated in a direction other than the reciprocating direction of the moving member can be canceled, and the reciprocating of the moving member presenting a pseudo force sense Force in only the direction can be generated. As a result, a pseudo force sense can be accurately presented. Furthermore, when the configuration is symmetric with respect to the reciprocating direction of the moving member, energy loss due to friction can be reduced as compared with the case where the configuration is asymmetric with respect to the reciprocating direction of the moving member.
また、本発明において好ましくは、上記カムが具備する曲面と上記第1線との相対位置を変化させる調整部をさらに有する。これにより、移動部材の加速度の時間変化を容易に変更できる。
また、本発明において好ましくは、上記調整部は、上記カムが具備する曲面と上記第1線との相対位置を変化させることにより、上記エネルギー保存機構によって上記カムフォロワに加えられる力の方向を基準とした上記第1領域面の角度と、上記エネルギー保存機構によって上記カムフォロワに加えられる力の方向を基準とした上記第2領域面の角度とを、それぞれ変化させる。これにより、移動部材の加速度の時間変化を容易に変更できる。
In the present invention, it is preferable to further include an adjustment unit that changes a relative position between the curved surface of the cam and the first line. Thereby, the time change of the acceleration of a moving member can be changed easily.
In the present invention, it is preferable that the adjustment unit changes a relative position between the curved surface of the cam and the first line, and thereby uses the direction of force applied to the cam follower by the energy storage mechanism as a reference. The angle of the first area surface and the angle of the second area surface based on the direction of the force applied to the cam follower by the energy storage mechanism are changed. Thereby, the time change of the acceleration of a moving member can be changed easily.
さらに、本発明において好ましくは、上記調整部は、上記カムが具備する曲面と上記第1線との相対位置の変化に対する、上記移動部材と上記カムフォロワとの距離の変化が所定値以下又は未満となる位置に、上記移動部材及び上記カムフォロワが存在する際に、上記カムが具備する曲面と上記第1線との相対位置を変化させる。これにより、カムが具備する曲面と第1線との相対位置を変化させた場合に生じる総和エネルギーの変動を低く抑えることができ、装置動作を安定させることができる。 In the present invention, it is preferable that the adjustment unit is configured such that a change in the distance between the moving member and the cam follower with respect to a change in a relative position between the curved surface of the cam and the first line is less than or less than a predetermined value. When the moving member and the cam follower are present at the position, the relative position between the curved surface of the cam and the first line is changed. Thereby, the fluctuation | variation of the total energy produced when the relative position of the curved surface and 1st line | wire which a cam comprises can be suppressed low, and apparatus operation | movement can be stabilized.
以上のように本発明では、反作用力を支持する支点や力点を外部や人体に設けることなく力覚を知覚させ、なおかつ、エネルギーの利用効率が高く、装置の小型・計量化が可能であり、発生させる加速度の時間変化を任意に設定できる。 As described above, in the present invention, a force sense is perceived without providing a fulcrum or a force point for supporting the reaction force on the outside or the human body, and energy use efficiency is high, and the apparatus can be reduced in size and measured. The time change of the acceleration to be generated can be arbitrarily set.
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
〔力覚を知覚させる原理〕
まず、本発明の構成によって、反作用力を支持する支点や力点を設けることなく時間的に安定した力覚を知覚させる原理を説明する。
ある質量をもった物体の並進運動を考える。そしてこの並進運動は、擬似力覚を提示したい方向へは大きな加速度で短時間に移動し、逆の方向へは小さな加速度で長時間で移動する、偏加速度をもった周期運動であるものとする。この場合、この物体を含む系を把持しているユーザは、この提示方向への擬似力覚を知覚する。これは、人間の知覚特性を利用したものであり、把持動作に関わる固有感覚と触覚によって発生する現象である。すなわち、筋紡錘(筋肉の収縮を感知して感覚を起こす骨格筋中の感覚器)の反射特性には、筋の長さが変化するときに強く興奮する動的反応と、伸ばされた筋が一定の長さに保たれるときにインパルス発射を続ける静的反応とがある。また動的反応は、筋の長さの変化が比較的小さく急であるときに強い(例えば「大山正,今井省吾,和気典二編:新編 感覚・知覚心理学ハンドブック,誠信書房,1994.」参照)。このような知覚反応は一般に図11に示すようなS字型曲線(sigmoid curve)で近似できることが知られている。なお、この図の横軸は人体に加えられる物理的な加速度を示し、縦軸はその加速度が人体に加えられた際に人体が知覚する加速度(知覚反応量)を示している。物理的な周期運動では加速度を一周期分積分すると零になるが、このS字型曲線の知覚反応量は同様に積分しても零になるとは限らない。例えば、図11のf1(x)のような範囲では、加速度の変化すなわち微分値の差(f1’(a+k)-f1’(a))が、感覚値の差よりも大きくなる。逆にf2(x)のような範囲では、加速度の変化(f1’(b+k)-f1’(b))が、感覚値の差よりも小さくなる。これは、物理的な加速度の変化を感覚的に過小評価する箇所と、感覚的に過大評価する箇所とが存在することを意味している。そして、この感覚強度の違いを利用することにより、擬似的な力覚を発生させることができることを意味している。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Principle to perceive force sense]
First, the principle of perceiving a time-stable force sense without providing a fulcrum or force point that supports the reaction force according to the configuration of the present invention will be described.
Consider the translational motion of an object with a certain mass. This translational motion is a periodic motion with partial acceleration that moves in a short time with a large acceleration in the direction in which the pseudo force sense is to be presented and moves in a long time with a small acceleration in the opposite direction. . In this case, the user holding the system including the object perceives a pseudo force sense in the presenting direction. This utilizes human perceptual characteristics, and is a phenomenon that occurs due to a peculiar sensation and a tactile sensation related to a gripping action. In other words, the reflex characteristics of muscle spindles (sensory organs in skeletal muscles that sense muscle contraction and cause sensation) include a dynamic reaction that excites strongly when the length of the muscle changes, and a stretched muscle. There is a static reaction that continues impulse firing when kept at a certain length. The dynamic response is strong when the change in muscle length is relatively small and abrupt (for example, “Masao Oyama, Shogo Imai, Wanji Nenji: New edition Handbook of Sensory and Perceptual Psychology, Seishin Shobo, 1994. "reference). It is known that such a perceptual reaction can be approximated by a sigmoid curve as shown in FIG. In this figure, the horizontal axis indicates the physical acceleration applied to the human body, and the vertical axis indicates the acceleration (perceptual reaction amount) perceived by the human body when the acceleration is applied to the human body. In the case of physical periodic motion, the acceleration is integrated to zero when integrated for one period, but the perceptual reaction amount of this S-shaped curve is not necessarily zero even if integrated. For example, in a range such as f 1 (x) in FIG. 11, the change in acceleration, that is, the difference in differential values (f 1 ′ (a + k) −f 1 ′ (a)) is larger than the difference in sensory values. Become. Conversely, in a range such as f 2 (x), the change in acceleration (f 1 ′ (b + k) −f 1 ′ (b)) is smaller than the difference in sensory values. This means that there are places where the physical acceleration change is underestimated sensuously and places where the sensory overestimation is overestimated. This means that a pseudo force sense can be generated by utilizing the difference in the sensory intensity.
また、皮膚表面と運動物体との接触面では、静止摩擦係数と動摩擦係数との関係により、ある加速度において並進運動の並進力が静止摩擦力を超え、すべりが生じることがある。そのため、提示したい方向へ大きな加速度を加えることにより、このすべりを発生させ、力覚を表示することもできる。 Also, on the contact surface between the skin surface and the moving object, the translational force of the translational motion exceeds the static frictional force at a certain acceleration due to the relationship between the static friction coefficient and the dynamic friction coefficient, and slipping may occur. Therefore, by applying a large acceleration in the direction to be presented, this slip can be generated and a force sense can be displayed.
〔本発明における偏加速度をもった周期運動〕
前述のように、本発明の加速度発生装置は、曲面を具備するカムと、上記カムの曲面に対する相対位置が固定された第1線上に移動が制限され、当該第1線上で周期的な並進運動を行う移動部材と、上記移動部材に対する相対位置が固定された第2線上に移動が制限され、さらに上記カムの曲面に支持されて、上記カムの曲面に沿った移動運動を行うカムフォロワと、上記移動部材と上記カムフォロワとの距離の変異を力エネルギーの変異に置き換えてエネルギーを保存する機構であって、発生した力を上記カムフォロワに与え、上記カムフォロワを上記カムの曲面に押し付けるエネルギー保存機構と、を具備し、上記カムフォロワと上記移動部材との距離は、上記移動部材の位置に応じ、上記カムの曲面形状に従って変化し、上記カムの曲面は、第1領域面と第2領域面とを具備する。そして、上記エネルギー保存機構によって上記カムフォロワに加えられる力の方向を基準とした上記第1領域面の角度と、上記エネルギー保存機構によって上記カムフォロワに加えられる力の方向を基準とした上記第2領域面の角度とは、それらの正負及び絶対値が異なる。これにより、上記移動部材の一周期中での加速度の時間変化は、当該加速度の向きが上記第1線に沿った一方向である正方向の場合と、当該加速度の向きが当該正方向の反対方向である負方向の場合とで非対称となる。このように移動部材が偏加速度をもった周期運動を行うことにより、反作用力を支持する支点や力点を外部や人体に設けることなく擬似的な力覚を発生させる。前述のように、本発明における加速度発生装置の移動部材の一周期中での加速度の時間変化(加速度プロファイル)は、カムが具備する曲面の形状に依存し、この曲面の形状を変えることによって自由に設定可能である。また、前述のように、本発明の加速度発生装置では、エネルギーの利用効率が高く、装置の小型・計量化が可能である。以下、本発明の各実施形態を説明する。
[Periodic motion with partial acceleration in the present invention]
As described above, the acceleration generating device of the present invention is limited in movement on the cam having a curved surface and the first line where the relative position of the cam to the curved surface is fixed, and is periodically translated on the first line. A moving member that performs movement movement along the curved surface of the cam that is supported on the curved surface of the cam, the movement being restricted on a second line whose relative position with respect to the moving member is fixed, A mechanism for storing energy by replacing a variation in the distance between the moving member and the cam follower with a variation in force energy, an energy storage mechanism that applies the generated force to the cam follower and presses the cam follower against the curved surface of the cam; And the distance between the cam follower and the moving member varies according to the curved surface shape of the cam according to the position of the moving member, Comprises a first region surface and the second area surface. The angle of the first region surface with respect to the direction of the force applied to the cam follower by the energy storage mechanism and the second region surface with respect to the direction of the force applied to the cam follower by the energy storage mechanism These angles are different in their positive and negative values and absolute values. Thereby, the time change of the acceleration in one cycle of the moving member is different from the case where the direction of the acceleration is a positive direction which is one direction along the first line, and the direction of the acceleration is opposite to the positive direction. This is asymmetric with the negative direction. As described above, when the moving member performs the periodic motion with the partial acceleration, a pseudo force sense is generated without providing a fulcrum or a force point for supporting the reaction force on the outside or the human body. As described above, the time change (acceleration profile) of acceleration in one cycle of the moving member of the acceleration generating device according to the present invention depends on the shape of the curved surface of the cam, and can be freely changed by changing the shape of the curved surface. Can be set. Further, as described above, the acceleration generating device of the present invention has high energy use efficiency, and the device can be reduced in size and measured. Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described.
〔第1実施形態〕
まず、本発明の第1実施形態について説明する。
<構成>
図1A〜図1C及び図2は、第1実施形態の加速度発生装置1の構成を示した図である。ここで、図1Aは本形態の加速度発生装置1の平面図である。また、図1Bは本形態の加速度発生装置1の正面図である。また、図1Cは図1Aの1C−1C断面図である。また、図2は本形態の加速度発生装置1の斜視図である。
[First Embodiment]
First, a first embodiment of the present invention will be described.
<Configuration>
FIG. 1A to FIG. 1C and FIG. 2 are diagrams showing the configuration of the
本形態の加速度発生装置1は、曲面21,22を具備するカム20と、カム20の曲面21,22に対する相対位置が固定された第1線L1上に移動が制限され、当該第1線L1上で周期的な並進運動を行う移動部材40と、移動部材40に対する相対位置が固定された第2線L2上に移動が制限され、さらにカム20の曲面21,22に支持されて、カム20の曲面21,22に沿った移動運動を行うカムフォロワ81,82と、移動部材40とカムフォロワ81,82との距離の変異を力エネルギーの変異に置き換えてエネルギーを保存する機構であって、発生した力をカムフォロワ81,82に与え、カムフォロワ81,82をカム20の曲面21,22に押し付けるエネルギー保存機構であるバネ90と、を具備する。ここで、カムフォロワ81,82と移動部材40との距離は、移動部材40の位置に応じ、カム20の曲面形状に従って変化する。また、カム20の曲面21,22は、第1領域面21a,22aと第2領域面21b,22bとを具備し、エネルギー保存機構であるバネ90によってカムフォロワ81,82に加えられる力の方向を基準とした第1領域面21a,22aの角度と、バネ90によってカムフォロワ81,82に加えられる力の方向を基準とした第2領域面21b,22bの角度とは、それらの正負及び絶対値が異なる。そして、移動部材40の一周期中での加速度の時間変化は、当該加速度の向きが第1線L1に沿った一方向である正方向の場合と、当該加速度の向きが当該正方向の反対方向である負方向の場合とで非対称となる。
The
これが本形態における加速度発生装置1の構成の概要である。以下、本形態の加速度発生装置1の構成を詳細に説明する。
図1,図2に示すように、本形態の加速度発生装置1は、ベース部10と、カム20と、リニアガイド30,60と、スライダ41,コイル部材42及び分銅43を具備する移動部材40と、シャフト50と、スライダ71,72と、カムフォロワ81,82と、バネ90(「エネルギー保存機構」に相当)とを具備する。
This is an outline of the configuration of the
As shown in FIGS. 1 and 2, the
ここで、この例のベース部10は剛体とみなせる板(例えば、ステンレス、プラスチック製等)である。また、この例のカム20は、剛体とみなせる板(例えば、ステンレス、プラスチック製等)であり、側面に曲面21,22を具備する。なお、この例ではカム20と平行な面をx−y平面とする。2つの曲面21,22は、カム20と直交する特定の平面(P1平面)に対して鏡面対称に形成される。
Here, the
曲面21は、第1領域面21aと第2領域面21bと第3領域面21cとを具備する。ここで、x−y平面におけるx軸に対する第1領域面21aの勾配は負であり、第2領域面21bの勾配は正であり、第3領域面21cの勾配は0である。また、x−y平面におけるx軸に対する第1領域面21aの勾配は、第2領域面21bの勾配よりも急峻である。すなわち、曲面21とx−y平面の平行面との交線である曲線の関数をf1(x)とした場合、第1領域面21aでの関数f1(x)の傾きは負であり、第2領域面21bでの関数f1(x)の傾きは正であり、第3領域面21cでの関数f1(x)の傾きは0である。そして、第1領域面21aでの関数f1(x)の傾きの絶対値は、第2領域面21bでの関数f1(x)の傾きの絶対値よりも大きい。また、エネルギー効率上、第1領域面21aと第2領域面21bとは、第3領域面21cを介して滑らかに接続されることが望ましい。すなわち、関数f1(x)は全ての点で一次微分可能な関数であることが望ましい。
The
また、曲面22は、第1領域面22aと第2領域面22bと第3領域面22cとを具備する。ここで、x−y平面におけるx軸に対する第1領域面22aの勾配は正であり、第2領域面22bの勾配は負であり、第3領域面22cの勾配は0である。また、x−y平面におけるx軸に対する第1領域面22aの勾配は、第2領域面22bの勾配よりも急峻である。すなわち、曲面22とx−y平面の平行面との交線である曲線の関数をf2(x)とした場合、第1領域面22aでの関数f2(x)の傾きは正であり、第2領域面22bでの関数f2(x)の傾きは負であり、第3領域面22cでの関数f2(x)の傾きは0である。そして、第1領域面22aでの関数f2(x)の傾きの絶対値は、第2領域面22bでの関数f2(x)の傾きの絶対値よりも大きい。また、エネルギー効率上、第1領域面22aと第2領域面22bとは、第3領域面22cを介して滑らかに接続されることが望ましい。すなわち、関数f2(x)は全ての点で一次微分可能な関数であることが望ましい。
The
図1A,B及び図2に示すように、この例のカム20の一面側には一定の距離を置いてベース部10が配置され、カム20は支持部23〜25を介してベース部10と略平行に固定される。これにより、ベース部10に対するカム20の相対位置が固定される。
As shown in FIGS. 1A, 1B, and 2, the
また、図1B,C及び図2に示すように、ベース部10のカム20側の面にはリニアガイド30が固着される。この例のリニアガイド30は断面略矩形のレールであり、そのベース部10固着面に対して垂直な長手方向の両側面には、各側面に沿った溝31が形成されている。なお、この例のリニアガイド30は、前述したカム20と直交する特定の平面(P1平面)上に長手方向の中心軸を配置した状態でベース部10に固着される。
As shown in FIGS. 1B, 1C, and 2, the
また、リニアガイド30とカム20との間には、少なくとも一部が磁化された鉄等からなる円柱等の柱状のシャフト50がリニアガイド30と並行に配置される。シャフト50の両端は、それぞれ支持部51,52によってベース部10に固定され、これにより、リニアガイド30に対するシャフト50の相対位置が固定される。
リニアガイド30のカム20側の面には、断面が略コの字状のスライダ41が配置される。図1Cに例示するように、スライダ41は、リニアガイド30の両側面に設けられた溝31を抱えこんだ状態でリニアガイド30のカム20側の面に配置され、リニアガイド30に沿ってスライド移動可能に取り付けられる。
Further, between the
A
コイル部材42は貫通孔42aを具備する。そして、コイル部材42は、この貫通孔42aにシャフト50がスライド可能に挿入され、スライダ41のカム20側の面に固着される。このコイル部材42は、貫通孔42aの長手方向に沿って巻き付けられたコイルを具備し、当該コイルに交流電流が与えられた際にシャフト50の長手方向の磁界を発生させる。
The
また、コイル部材42のカム20側の面には分銅43が固着される。これにより、スライダ41,コイル部材42及び分銅43によって構成された移動部材40は、リニアガイド30及びシャフト50に沿った第1線L1上に移動が制限され、後述のように当該第1線L1上で周期的な並進運動を行う。なお、リニアガイド30及びシャフト50は、カム20に対する相対位置が固定されているため、カム20の曲面21,22に対する第1線L1の相対位置も固定されている。また、この例の場合、第1線L1は、前述したカム20と直交する特定の平面(P1平面)上に配置される。
A
分銅43のカム20側の面にはリニアガイド60が固着される。この例のリニアガイド60は断面略矩形のレールであり、その分銅43固着面に対して垂直な長手方向の両側面には、各側面に沿った溝61が形成されている。また、図1Aに示すように、本形態の例のリニアガイド60の向きは、その長手方向がリニアガイド30の長手方向と略垂直となる向きである。
A
リニアガイド60のカム20側の面には、断面が略コの字状の2つのスライダ71,72が配置される。図1Bに例示するように、スライダ71,72は、リニアガイド60の両側面に設けられた溝61を抱えこんだ状態でリニアガイド60のカム20側の面に配置され、リニアガイド60に沿ってスライド移動可能に取り付けられる。
Two
スライダ71,72のカム20側の面には、それぞれ、カムフォロワ81,82が取り付けられる。なお、本形態の場合、カムフォロワ81,82は、前述の特定の平面(P1)に対して鏡面対称に取り付けられる。本形態のカムフォロワ81,82は、それぞれ、スライダ71,72に固着された回転軸を中心として回転する円柱状のローラーであり、それぞれの側面がカム20の曲面21,22にそれぞれ接触して配置される。また、この例の場合、カムフォロワ81,82の各回転軸はカム20の上面(ベース部10側の反対面)側に突出し、突出した両回転軸はカム20の上面側に配置されたバネ90によって接続されている。このバネ90の弾性力(引っ張り力)により、カムフォロワ81,82はカム20の曲面21,22に対し、リニアガイド60に沿った第2線L2方向(この例では第1線L1方向と略垂直方向)に押し付けられる。なお、この例の場合、バネ90は、前述の特定の平面(P1)に対して鏡面対称な力を2つのカムフォロワ81,82に対して与える。
以上のような構成により、この例のカムフォロワ81,82は、前述の特定の平面(P1)に対して鏡面対称に、カム20の曲面21,22に沿った移動が可能なように構成される。ここで、リニアガイド60は移動部材40に固定されているため、第2線L2の移動部材40に対する相対位置も固定されている。結局、カムフォロワ81,82は、移動部材40に対する相対位置が固定された第2線L2上に移動が制限され、さらにカム20の曲面21,22に支持されて、カム20の曲面21,22に沿った移動が可能となる。
With the configuration as described above, the
なお、カムフォロワ81,82の直径は、第3領域面21c,22cを介した第1領域面21a,22aと第2領域面21b,22bとのつなぎ目の曲率よりも十分小さいことが望ましい。カムフォロワ81,82の直径が大きすぎると、カムフォロワ81,82がカム20の曲面21,22に沿って移動を行う際、カムフォロワ81,82が第1領域面21a,22aと第2領域面21b,22bとのつなぎ目部分に衝突し、エネルギーを損失するからである。
It is desirable that the diameter of the
<動作>
次に、第1実施形態の加速度発生装置1の動作について説明する。
カムフォロワ81,82は、移動部材40に固着されたリニアガイド60によって移動方向が第2線L2上に制限されている。また、カムフォロワ81,82と移動部材40とは相互に連動して第1線L1に沿った方向への移動を行う。また、カムフォロワ81,82は、バネ90の弾性力を受けつつカム20の曲面21,22に支持されてカム20の曲面21,22に沿った移動運動を行い、移動部材40は、カム20の曲面21,22に対する相対位置が固定された第1線L1上に移動が制限される。その結果、各カムフォロワ81,82と移動部材40との距離は、移動部材40の位置(この例ではx座標)に応じ、カム20の曲面形状(この例では関数f1(x),f2(x))に従って変化する。
<Operation>
Next, operation | movement of the
The movement directions of the
さらに、バネ90は、移動部材40とカムフォロワ81,82との距離に依存する弾性エネルギーを保存する機構であるため、バネ90がカムフォロワ81,82に与える力(バネ90の引っ張り力)の大きさは移動部材40の位置に応じて変化する。また、この力はカムフォロワ81,82をカム20の曲面21,22に押し付ける方向の力であるため、この力の方向とカム20の曲面21,22とがなす角度に応じた当該曲面21,22からの反作用力がカムフォロワ81,82に与えられ、その力はカムフォロワ81,82と相互に連動して移動する移動部材40に伝わる。すなわち、カム20の曲面21,22の形状(各位置の傾きや高さ)とカムフォロワ81,82や移動部材40の位置とに応じた力が移動部材40に与えられる。さらに、バネ90によってカムフォロワ81,82にそれぞれ加えられる力の方向(本形態の例では第1線L1方向と略垂直方向)を基準とした第1領域面21a,22aの角度と、第2領域面21b,22bの角度とは正負及び絶対値が異なり、これらの角度に応じ、バネ90によって移動部材40やカムフォロワ81,82の進行方向に加えられる力の大きさも変化する。
Furthermore, since the
このような力によって、移動部材40は、第1線L1上を並進運動し、カムフォロワ81,82は、それぞれカム20の曲面21,22に沿って運動する。なお、この加速度発生装置1の運動は、移動部材40、カムフォロア81,82、リニアガイド60、スライダ71,72及びバネ90の運動エネルギーと、バネ90の弾性エネルギー(位置エネルギー)との間のエネルギー変換がなされつつ行われる。つまり、移動部材40が第1線L1上を移動すると、それに連動してバネ90の長さが変化する。そして、バネ90の長さが伸びる際には運動エネルギーから弾性エネルギーへの変換がなされ、バネ90の長さが縮まる際には弾性エネルギーから運動エネルギーへの変換がなされる。摩擦等によるエネルギー損失が存在しないと仮定した場合、当該運動過程におけるエネルギーの総和は保存され、運動エネルギーと弾性エネルギーとの和は一定となる。このような仮定を行い、さらに移動部材40、カムフォロア81,82、リニアガイド60、スライダ71,72及びバネ90を1つの剛体と仮定した場合、本形態の加速度発生装置1の運動は以下の運動方程式によって近似できる。
ただし、kはバネ90のバネ定数であり、f1(x),f2(x)は前述したカム20の曲面21,22に対応する曲線の関数であり、mは移動部材40、カムフォロア81,82、リニアガイド60、スライダ71,72及びバネ90を1つの剛体と仮定した場合における当該剛体の質量であり、v0は当該剛体の初速度である。
Here, k is a spring constant of the
そして、前述のように曲面21,22の形状を設定することにより、移動部材40は第1線L1上を周期的に往復運動し、移動部材40の一周期中での加速度の時間変化は、加速度が正方向の場合と負方向の場合とで非対称となる。すなわち、式(1)の近似を満たした状態で加速度(d2x/d2t)の時間変化が(d2x/d2t)>0の場合と(d2x/d2t)<0の場合とで非対称となる関数f1(x),f2(x)に対応する曲面21,22を形成することにより、移動部材40の一周期中での加速度の時間変化は、加速度が正方向の場合と負方向の場合とで非対称となる。
Then, by setting the shapes of the
その結果、本形態の移動部材40の並進運動は、正方向の加速度の絶対値の最大値と、負方向の加速度の最大値とが異なり、当該最大値が大きい方向の加速度をもつ時間が、当該最大値が小さい方向の加速度をもつ時間よりも短い運動となる。そして、移動部材40の加速度と、その加速度を人体に加えた際に人体の知覚する加速度と、の関係を示すS字型曲線(図11参照)の傾きが、移動部材40の正方向の加速度の最大値点と負方向の加速度の最大値点とで異なる運動となるようにカム20の曲面21,22を形成することにより、第1線L1方向に疑似的な力覚を発生させることができる。
As a result, the translational motion of the moving
図3A〜図3Fは、本形態の移動部材40の並進運動を説明するための概念図である。
カムフォロア81,82がそれぞれ第1領域面21a,22aに存在する場合(図3A)、バネ90の弾性力により、移動部材40にはA1方向の加速度が与えられ、カムフォロア81,82にはそれぞれA2,A3方向の加速度が与えられる。これにより、移動部材40は、急速に加速しながら第1線L1上をA1方向に移動し、カムフォロア81,82は、それぞれ急速に加速しながら曲面21,22に沿ってA2,A3方向に移動する。
3A to 3F are conceptual diagrams for explaining the translational motion of the moving
When the
この移動によってカムフォロア81,82が第2領域面21b,22bに達した場合(図3B)、バネ90の弾性力により、移動部材40にはB1方向の逆方向の加速度が与えられ、カムフォロア81,82にはそれぞれB2,B3方向の逆方向の加速度が与えられる。これにより、移動部材40は緩やかに減速しながら第1線L1上をB1方向に移動し、カムフォロア81,82はそれぞれ緩やかに減速しながら曲面21,22に沿ってB2,B3方向に移動する。
When the
さらにカムフォロア81,82が図3Cの位置に達した場合、移動部材40は緩やかに減速しながら第1線L1上をC1方向に移動し、カムフォロア81,82はそれぞれ緩やかに減速しながら曲面21,22に沿ってC2,C3方向に移動する。そして、カムフォロア81,82が図3Dの位置に達した時点で、移動部材40及びカムフォロア81,82の速度は一旦ゼロとなる。その後、移動部材40は、バネ90の弾性力によって与えられた加速度で緩やかに加速しながら第1線L1上をD1方向に移動し、カムフォロア81,82は、それぞれ緩やかに加速しながら曲面21,22に沿ってD2,D3方向に移動する。
Further, when the
この移動によってカムフォロア81,82が図3Eの位置に達し、移動部材40は、バネ90の弾性力によって与えられた加速度で緩やかに加速しながら第1線L1上をE1方向に移動し、カムフォロア81,82は、それぞれ緩やかに加速しながら曲面21,22に沿ってE2,E3方向に移動する。さらに、カムフォロア81,82は図3Fの位置に達し、移動部材40は、バネ90の弾性力によって与えられた加速度で緩やかに加速しながら第1線L1上をF1方向に移動し、カムフォロア81,82は、それぞれ緩やかに加速しながら曲面21,22に沿ってF2,F3方向に移動する。
With this movement, the
その後、カムフォロア81,82が第2領域面21b,22bに達し、移動部材40は、バネ90の弾性力によって与えられた加速度で急激に減速しながら第1線L1上を移動し、カムフォロア81,82は、それぞれ急速に加速しながら曲面21,22に沿って移動し、図3Aの位置で一旦停止する。その後同様に図3A〜図3Fの運動を周期的に繰り返す。
このような移動部材40の加速度が非対称な往復により、図4に例示するような方向に疑似的な力覚を知覚させる。
Thereafter, the
Such a reciprocation in which the acceleration of the moving
<制御>
本形態の加速度発生装置1は、摩擦等の損失が存在せず、エネルギーが完全に保存されるのであれば、永久に並進運動を継続する構成である。しかし、実際には、空気抵抗やリニアガイド30とスライダ41との摩擦等が存在し、エネルギーは完全に保存されない。よって、この損失分のエネルギーを加速度発生装置1に供給する必要がある。また、加速度発生装置1の駆動を開始させる際にも加速度発生装置1にエネルギーを供給する必要がある。このようなエネルギーの供給は、例えば以下のように行う。
<Control>
The
まず、シャフト50を長手方向に所定の間隔でS極とN極とを具備する磁石によって構成する。この場合にコイル部材42のコイルに交流電流(2層交流や3層交流等)を供給すると、当該コイルには供給された電流の向きに応じた磁界が発生し、これによってコイル部材42に初速度が与えられる。コイル部材42の移動速度は、例えば、磁石であるシャフト50によってコイル部材42のコイルに誘導された誘導起電力を用いて検出される。そして、コイル部材42が所定の位置で所定の速度に達したことが検出されると、コイル部材42のコイルへの電流供給が一旦中止される。また、コイル部材42が所定の位置で所定の速度を下回ったことが検出されるとコイル部材42のコイルへの電流供給が再開される。これによってエネルギー損失分に相当するエネルギーが加速度発生装置1に供給され、移動部材40は周期的な並進運動を継続する。
First, the
また、シャフトモータとエンコーダとを用い、このようなエネルギーの供給を行ってもよい。図5A及び図5Bは、シャフトモータとエンコーダとを用いて加速度発生装置1にエネルギー供給するための構成を例示した図である。
Further, such energy may be supplied using a shaft motor and an encoder. 5A and 5B are diagrams illustrating a configuration for supplying energy to the
図5A及び図5Bの例の加速度発生装置1は、さらに、コイル部材42及び分銅43に固着されたリニアエンコーダ(光学式、磁気式等)110と、支持部121,122によってシャフト50に沿ってベース部10に固定されたエンコーダ用スケール(光学スケール、磁気スケール等)120とを具備する。また、この例のシャフト50は、長手方向に所定の間隔でS極とN極とが交互に繰り返された磁石である。そして、コイル部材42が具備するコイルには、交流電流(2層交流や3層交流等)の供給を行う制御回路130が電気的に接続される。また、リニアエンコーダ110には、その検出信号が入力され、当該検出信号に基づき制御回路130を制御するPC(パーソナルコンピュータ)140が電気的に接続される。
The
PC140の制御のもと制御回路130がコイル部材42のコイルに交流電流を供給すると、当該コイルには供給された電流の向きに応じた磁界が発生し、これによってコイル部材42に初速度が与えられる。コイル部材42の移動速度はリニアエンコーダ110によって検出され、その検出信号はPC140に入力される。PC140はその検出信号を用いてコイル部材42の所定位置での速度を計算する。なお、この計算はリニアエンコーダ110の位置情報を時間微分することで計算できる。PC140は、コイル部材42が所定の位置で所定の速度に達したことを検出すると、制御回路130によるコイル部材42のコイルへの電流供給を一旦中止させる。また、PC140は、コイル部材42が所定の位置で所定の速度を下回ったことを検出すると、制御回路130によるコイル部材42のコイルへの電流供給を再開する。これによってエネルギー損失分に相当するエネルギーが加速度発生装置1に供給され、移動部材40は周期的な並進運動を継続する。
When the
<本形態の特徴>
以上のように、本形態では、反作用力を支持する支点や力点を設けることなく時間的に安定した力覚を知覚させることができる。
また、本形態の加速度発生装置1の場合、カム20の曲面21,22の形状を変えるだけで、移動部材40等の加速度の時間変化を任意に設定できる。その結果、擬似力覚を発生させるために最適な加速度変化を容易に実現することができる。
さらに、本形態の加速度発生装置1は、摩擦等の損失が存在せず、エネルギーが完全に保存されるのであれば、永久に並進運動を継続する構成である。よって、コイル部材42に供給される交流電流は、この損失分を補う程度のものであればよい。すなわち、低い消費電力で上述の擬似的な力覚を発生させることができる。
<Features of this embodiment>
As described above, in this embodiment, a time-stable force sense can be perceived without providing a fulcrum or a force point that supports the reaction force.
Further, in the case of the
Furthermore, the
加えて、本形態の加速度発生装置1は、一旦発生させた回転動力を並進運動に変換するのではなく、コイル部材42に交流電流を供給することによって移動部材40の第1直線L1方向の動力を直接発生させている。すなわち、アクチュエータとしてリニアアクチュエータを用いている。そのため、回転動力を並進運動に変換する場合に必要な機構が不要となり、装置の小型・省スペース化・軽量化が可能となる。その結果、加速度発生装置1を携帯電話等の電子機器に内蔵することも可能となり、その応用分野が広がる。
In addition, the
また、本形態の加速度発生装置1の場合、カム20は、特定の平面P1に対して鏡面対称な2つの曲面21,22を具備し、第1線L1は、特定の平面P1上の線であり、カムフォロワ81,82は、当該特定の平面P1に対して鏡面対称に2つ設けられ、2つのカムフォロワ81,82は、当該特定の平面P1に対して鏡面対称に移動し、バネ90は、当該特定の平面P1に対して鏡面対称な力を2つのカムフォロワ81,82に対して与える。これにより、移動部材40の移動方向である第1直線L1と略垂直となる第2直線L2方向の力が相殺され、擬似的な力を発生させる方向のみに加速度が発生する。その結果、擬似的な力覚を適切に提示することが可能となる。また、このように対称な構成とすることにより、当該特定の平面P1を中心とした両側の力のバランスがとれ、リニアガイド60とスライダ41との間の摩擦等を小さくすることができる。これにより、高いエネルギー効率(省電力化)を実現できる。
In the case of the
また、本形態の加速度発生装置1の場合、バネ90は、移動部材40の移動方向である第1直線L1と略垂直となる第2直線L2方向に伸び縮みする。ユーザは自らの前後方向を第1線L1方向として加速度発生装置1を手で把持するケースが多いと想定される(図4参照)。この場合、バネ90によってカムフォロワ81,82に加えられる力の方向が第1線L1方向に近いと、ユーザの肘のバネ作用の影響によってカムフォロワ81,82に加えられる力に誤差が生じてしまう。この影響が最少となるのは、本形態のようにバネ90によってカムフォロワ81,82に加えられる力の方向が第1線L1方向と略垂直となる第2直線L2方向の場合である。
In the case of the
〔第2実施形態〕
次に本発明の第2実施形態について説明する。
本形態は第1実施形態の変形例であり、カムが具備する曲面と第1線との相対位置を変化させ、当該相対位置を任意の位置で固定可能とする点が第1実施形態との相違点である。このように、カムが具備する曲面と第1線との相対位置を変化させることにより、エネルギー保存機構によってカムフォロワに加えられる力の方向を基準とした第1領域面の角度と、エネルギー保存機構によってカムフォロワに加えられる力の方向を基準とした第2領域面の角度とを、それぞれ変化させる。これにより、移動部材の加速度の時間変化(加速度プロファイル)を自由に調整できる。以下、上述した第1実施形態との相違点を中心に、本発明の第2実施形態の説明を行う。なお、第1実施形態と共通する事項については説明を簡略化する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
This embodiment is a modification of the first embodiment, and the relative position between the curved surface of the cam and the first line is changed, and the relative position can be fixed at an arbitrary position with respect to the first embodiment. It is a difference. In this way, by changing the relative position between the curved surface of the cam and the first line, the angle of the first region surface based on the direction of the force applied to the cam follower by the energy storage mechanism and the energy storage mechanism The angle of the second region surface with respect to the direction of the force applied to the cam follower is changed. Thereby, the time change (acceleration profile) of the acceleration of a moving member can be adjusted freely. Hereinafter, the second embodiment of the present invention will be described focusing on the differences from the first embodiment described above. In addition, description is simplified about the matter which is common in 1st Embodiment.
<構成>
図6A,Bは、第2実施形態の加速度発生装置201の構成を示した図である。ここで、図6Aは本形態の加速度発生装置201の平面図である。また、図6Bは本形態の加速度発生装置201の正面図である。なお、図6A,Bにおいて第1実施形態と共通する部分については第1実施形態の図と同じ符号を用いている。
図6A,Bに示すように、本形態の加速度発生装置201は、ベース部10と、カム220,230と、リニアガイド30,60と、スライダ41,コイル部材42及び分銅43を具備する移動部材40と、シャフト50,251〜253と、コイル部材253c,253eと、保持部材251c,252cと、スライダ71,72と、カムフォロワ81,82と、バネ90とを具備する。なお、シャフト251〜253,保持部材251c,252c,コイル部材253c,253eが「調整部」に相当する。
<Configuration>
6A and 6B are diagrams showing the configuration of the
As shown in FIGS. 6A and 6B, the
この例の2つのカム220,230は剛体とみなせる板(例えば、ステンレス、プラスチック製等)であり、それぞれの1側面にそれぞれ曲面221,232を具備する。この例のカム220,230は同一平面上に配置され、この平面と平行な面をx−y平面とする。2つのカム220,230がそれぞれ具備する曲面221,232は相互に面対称に形成される。本形態の場合、カム220,230全体が相互に面対称に構成される。そして、2つのカム220,230は、図6Aの状態で、各曲面221,232が第1直線L1を通るx−z平面と並行な平面P1と反対側を向き、なおかつ、当該平面P1に対して面対称となるように配置される。
The two
曲面221は、第1領域面221aと第2領域面221bと第3領域面221cとを具備する。ここで、図6Aの状態では、x−y平面におけるx軸に対する第1領域面221aの勾配は負であり、第2領域面221bの勾配は正であり、第3領域面221cの勾配は0である。また、図6Aの状態では、x−y平面におけるx軸に対する第1領域面221aの勾配は、第2領域面221bの勾配よりも急峻である。すなわち、曲面221とx−y平面の平行面との交線である曲線の関数をf1(x)とした場合、図6Aの状態では、第1領域面221aでの関数f1(x)の傾きは負であり、第2領域面221bでの関数f1(x)の傾きは正であり、第3領域面221cでの関数f1(x)の傾きは0である。そして、第1領域面221aでの関数f1(x)の傾きの絶対値は、第2領域面221bでの関数f1(x)の傾きの絶対値よりも大きい。また、エネルギー効率上、第1領域面221aと第2領域面221bとは、第3領域面221cを介して滑らかに接続されることが望ましい。すなわち、関数f1(x)は全ての点で一次微分可能な関数であることが望ましい。
The
また、曲面232は、第1領域面232aと第2領域面232bと第3領域面232cとを具備する。ここで、図6Aの状態では、x−y平面におけるx軸に対する第1領域面232aの勾配は正であり、第2領域面232bの勾配は負であり、第3領域面232cの勾配は0である。また、図6Aの状態では、x−y平面におけるx軸に対する第1領域面232aの勾配は、第2領域面232bの勾配よりも急峻である。すなわち、曲面232とx−y平面の平行面との交線である曲線の関数をf2(x)とした場合、図6Aの状態では、第1領域面232aでの関数f2(x)の傾きは正であり、第2領域面232bでの関数f2(x)の傾きは負であり、第3領域面232cでの関数f2(x)の傾きは0である。そして、第1領域面232aでの関数f2(x)の傾きの絶対値は、第2領域面232bでの関数f2(x)の傾きの絶対値よりも大きい。また、エネルギー効率上、第1領域面232aと第2領域面232bとは、第3領域面232cを介して滑らかに接続されることが望ましい。すなわち、関数f2(x)は全ての点で一次微分可能な関数であることが望ましい。
The
また、カム220は、一定の距離をおいた2つの貫通穴223,224を具備し、カム230は、一定の距離をおいた2つの貫通穴233,234を具備する。この例では、カム220の両端部分(曲面221が形成された側面に沿った長手方向の両端部分)に2つの貫通穴223,224が形成され、カム230の両端部分(曲面232が形成された側面に沿った長手方向の両端部分)に2つの貫通穴233,234が形成される。
The
図6A,Bに示すように、この例のカム220,230の一面側には一定の距離を置いてベース部10が配置される。ベース部10とカム220,230との間には、それぞれベース部10と一定の距離をおいたシャフト251,252が略平行に配置される。これら2つのシャフト251とシャフト252は、それぞれ支持部251a,251bと支持部252a,252bとを介してベース部10に固着される。また、この例の保持部材251c,252cはそれぞれ貫通穴を具備する直方体である。各保持部材251c,252cは、これらの貫通穴にシャフト251,252がそれぞれ挿入され、スライド可能な状態でシャフト251,252に支持される。そして、各保持部材251c,252cのベース部10と反対側の面には、それぞれ突起した円柱状の回転軸251ca,252caが設けられる。
As shown in FIGS. 6A and 6B, the
また、図6A,Bに示すように、シャフト251,252とカム220,230との間には、シャフト253が、ベース部10と略平行、かつ、シャフト251,252と略垂直に配置される。このシャフト253は、シャフト251,252から一定の距離を離した位置に配置され、この状態で支持部253a,253bを介してベース部10に固定されている。なお、シャフト253は、シャフト50と同様にS極とN極とが配置された磁石である。また、この例のコイル部材253c,253eはそれぞれ、コイル部材42と同様な構成の直方体である。コイル部材253c,253eの貫通穴にはともにシャフト253が挿入され、コイル部材253c,253eは、シャフト253に沿ったスライドが可能な状態でシャフト253に支持される。そして、各コイル部材253c,253eのベース部10と反対側の面には、それぞれ突起した円柱状の回転軸253ca,253eaが設けられる。
6A and 6B, a
そして、図6Aに示すように、カム220の貫通穴223には回転軸251caが挿入され、貫通穴224には回転軸253caが挿入される。これによりカム220は、回転軸251ca,253caを軸としたx−y平面上での回転運動が可能なようにコイル部材251c,253cに支持される。また、カム230の貫通穴233には回転軸252caが挿入され、貫通穴234には回転軸253eaが挿入される。これによりカム230は、回転軸252ca,253eaを軸としたx−y平面上での回転運動が可能なように保持部材252c,253eに支持される。
6A, the rotation shaft 251ca is inserted into the through hole 223 of the
また、図6A,Bに示すように、第1実施形態と同様に、リニアガイド30、シャフト50、移動部材40(スライダ41、コイル部材42及び分銅43)、リニアガイド60、スライダ71,72、カムフォロワ81,82及びバネ90が配置構成される。なお、カムフォロワ81,82は、移動部材40に対する相対位置が固定された第2線L2上に移動が制限され、さらにカム220,230の曲面221,232に支持されて、カム220,230の曲面221,232に沿った移動が可能なように配置される。
<動作>
本形態の加速度発生装置201の疑似的な力覚を発生させるための動作については、第1実施形態の加速度発生装置1と同様である。本形態の加速度発生装置201の特徴は、カム220,230の位置を変化させることにより、第1線L1に対するカム220,230の曲面221,232の相対位置を変化させ、移動部材40の加速度プロファイルを変化させる点である。以下では、この動作のみを説明する。
6A and 6B, as in the first embodiment, the
<Operation>
About the operation | movement for generating the pseudo force sense of the
図7は、この動作を説明するための加速度発生装置201の平面図である。PC311の制御のもと制御回路321,322からコイル部材253c,253eに交流電流が供給されると、コイル部材253c,253eが具備するコイルには電流の向きに応じた磁界が発生し、これによりコイル部材253c,253eがシャフト253に沿って移動する。この移動に伴い、回転軸253ca,253eaもシャフト253に沿って移動する。ここで、カム220,230は、回転軸251ca,252caにも回転可能に支持されているため、カム220,230は、それぞれ回転軸251ca,252caを中心とした揺動運動を行う。なお、この揺動運動に伴い、保持部材251c,252cは、それぞれシャフト251,252に沿ってスライドする。そして、このカム220,230の揺動運動によって、第1線L1に対するカム220,230の曲面221,232の相対位置が変化し、第1線L1に対する曲面221,232の傾斜が変化する。これはカム220,230の曲面221,232形状を変更したのと等価である。つまり、このようにカム220,230を揺動運動させることにより、移動部材40の加速度プロファイルを変化させることができる。そして、所定の位置でカム220,230を固定し、第1線L1に対する曲面221,232の相対位置を固定した状態で移動部材40が並進往復運動を行うことにより、その加速度プロファイルに応じた擬似的な力覚を知覚させることができる。なお、カム220,230の位置を固定する方法については特に限定はない。この固定方法としては、例えば、コイル部材253c,253eに直流電流を供給し続けたり、制御駆動可能なストッパーによって機械的に固定したりして、コイル部材253c,253eをシャフト253に固定する構成を例示できる。また、保持部材251c,252cをそれぞれシャフト251,252に固定する構成であってもよい。
FIG. 7 is a plan view of the
なお、加速度発生装置201の駆動途中に上述のようにカム220,230を揺動運動させる場合、そのカム220,230の揺動運動は、カム220,230と第1線L1との相対位置の変化に対する、移動部材40とカムフォロワ81,82との距離の変化が所定値以下又は未満となる位置に移動部材40及びカムフォロワ81,82が存在する際に行うことが望ましい。これにより、カム220,230の揺動運動に伴うエネルギーの変化を低く抑えることができ、加速度発生装置201の安定動作が実現できる。より好ましくは、移動部材40とカムフォロワ81,82との距離の変化が最少となるタイミングで行うことが望ましい。これにより、カム220,230の揺動運動に伴うエネルギーの変化を最も小さくできる。図6の例では、カムフォロワ81,82が、第3領域221c,232cに存在する際にカム220,230を揺動運動させることが最適である。
When the
また、カム220,230の揺動運動に伴うカム220とカム230との変位は、前述の平面P1に対して面対称であることが望ましい。これにより、カム220,230のカム220,230は平面P1に対して面対称となり、第1実施形態で述べたように、高いエネルギー効率で擬似的な力覚を適切に提示することが可能となる。
Further, it is desirable that the displacement between the
<本形態の特徴>
上述のように本形態では、第1線L1に対するカム220,230の曲面221,232の相対位置を変化させ、移動部材40の加速度プロファイルを変化させることができる。これにより、擬似的な力覚を知覚させる程度を自由に調整できる。
<Features of this embodiment>
As described above, in the present embodiment, the acceleration profile of the moving
また、図6及び図7の変形例としてカム220,230を大きくとることができれば、加速度プロファイルの正負を反転させることも可能であり、この場合には疑似的な力覚を知覚させる方向を反転させることもできる。ただ、この場合にはカムフォロワ81,82の移動範囲を考慮し、曲面221,232の第1領域面221a,232aのx−y平面における長さを延長する必要がある。例えば、1領域面221a,232aのx−y平面における長さを、第2領域面221b,232bのx−y平面における長さと同程度のする必要がある。
6 and 7, if the
図8及び図9は、曲面の第1領域面と第2領域面とのx−y平面における長さを同程度にし、さらにカムの揺動運動幅を大きくとることにより、疑似的な力覚を知覚させる方向を反転させることが可能な加速度発生装置401を例示した平面図である。
図8の例の加速度発生装置401が具備するカム420,430の曲面421,431は、それぞれ、第1領域面421a,431aと第2領域面421b,431bと第3領域面421c,431cとを具備する。図8に例示するように、この構成では、曲面421,431の第1領域面421a,431aと第2領域面421b,431bとのx−y平面における長さが同程度になっている。
8 and 9 show a pseudo force sensation by making the lengths of the curved first region surface and the second region surface in the xy plane substantially the same, and further increasing the swinging motion width of the cam. It is the top view which illustrated the
The
そして、カム420,430を図8の状態から図9の状態に揺動運動させれば、第1線L1に対するx−y平面上での第1領域面421a,431aの角度の絶対値と、第2領域面421b,431bの角度の絶対値とを反転させることができる。これにより、移動部材40の加速度の時間変化の正負(加速度プロファイルの正負)を反転させることができる。
また、図6のような2つのカムを複数組設け、移動部材40とリニアガイド60とスライダ71,72とカムフォロワ81,82とバネ90とが複数組のカム220,230間を移動する構成であってもよい。これにより、カムフォロワ81,82が接触するカムの曲面の位置に応じ、さまざまな方向・時間変化の加速度を発生させることができる。以下にその一例を示す。
When the
Also, a plurality of sets of two cams as shown in FIG. 6 are provided, and the moving
図10は、2つのカムを2組設け(カム220,230,520,530)、移動部材40とリニアガイド60とスライダ71,72とカムフォロワ81,82とバネ90とが複数組のカム220,230間を移動する構成とした加速度発生装置の動作を説明するための図である。
図10Aの状態では、カムフォロワ81,82はカム220,230の各曲面のみに沿った運動を行い、それに伴い移動部材40はリニアガイド30に沿った往復運動を行う。これにより、移動部材40は、カム220,230の各曲面に応じた加速度プロファイルで運動し、その運動に応じた疑似的な力覚を知覚させる。
In FIG. 10, two sets of two cams (
10A, the
また、図10Aの運動の過程においてカム220,230を揺動運動させ、カム220,230の位置を図10Bの位置にした場合、カムフォロワ81,82は図10Cのようにカム520,530側に移動する。その後、カム520,530を揺動運動させ、カム520,530の位置を図10Dの位置にした場合、カムフォロワ81,82はカム520,530の各曲面のみに沿った運動を行い、それに伴い移動部材40はリニアガイド30に沿った往復運動を行う。これにより、移動部材40は、カム520,530の各曲面に応じた加速度プロファイルで運動し、その運動に応じた疑似的な力覚を知覚させる。
Further, when the
ここで図10Aの状態と図10Dの状態では移動部材40の加速度プロファイルを反転させることも可能である。よって、疑似的な力覚を知覚させる方向を反転させることも可能である。
Here, in the state of FIG. 10A and the state of FIG. 10D, the acceleration profile of the moving
〔その他の変形例〕
なお、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではない。例えば、第1実施形態ではカム20の曲面21,22を鏡面対称に構成し、第2実施形態では、カム220,230の曲面221,232が鏡面対称に配置される構成とした。しかし、第1実施形態においてカム20の曲面21,22を鏡面対称に構成せず、第2実施形態において、カム220,230の曲面221,232を鏡面対称に配置しない構成であってもよい。
[Other variations]
The present invention is not limited to the embodiments described above. For example, in the first embodiment, the
また、第1実施形態において、カム20の曲面21のみを具備し、曲面22部分が平面状に形成されてもよい。さらに、カムフォロワ82を設けず1つのかむカムフォロワ81を用いる構成であってもよい。この場合には、例えばバネ90の一端がカムフォロワ81の回転軸に保持され、その他端が移動部材40に保持される構成とする。この場合、加速度発生装置の運動は以下の運動方程式によって近似できる。
また、前述したような1又は2つの曲面を具備する板状のカムではなく、1つ以上の曲面を具備する3次元カムを用いて本発明の構成を実現してもよい。また、複数の曲面を具備する3次元カムを用い、カムフォロワを所望の曲面上で移動させる制御を行ってもよい。これにより、カムフォロワが配置された曲面に応じて移動部材の加速度プロファイルを変化さえることができる。 Further, the configuration of the present invention may be realized by using a three-dimensional cam having one or more curved surfaces instead of the plate-like cam having one or two curved surfaces as described above. Alternatively, a control may be performed using a three-dimensional cam having a plurality of curved surfaces and moving the cam follower on a desired curved surface. Thereby, the acceleration profile of the moving member can be changed according to the curved surface on which the cam follower is arranged.
また、3以上の曲面を具備する3次元カムを用い、3以上のカムフォロワがそれぞれ当該3次元カムの曲面に沿って移動する構成であってもよい。この場合に好ましくは、カムは特定の直線に対して対称な複数の曲面を具備し、移動部材の移動経路である第1線を当該特定の直線に沿った線とし、カムフォロワを当該特定の平面に対して対称に複数設け、複数のカムフォロワは当該特定の直線に対して対称に移動し、バネが当該特定の直線に対して対称な力を複数のカムフォロワに対して与える構成とすることが望ましい。このような対称な構成とすることにより、第1実施形態で述べたように、高いエネルギー効率で擬似的な力覚を適切に提示することが可能となるからである。 Further, a configuration in which a three-dimensional cam having three or more curved surfaces is used, and three or more cam followers may move along the curved surface of the three-dimensional cam, respectively. In this case, preferably, the cam includes a plurality of curved surfaces that are symmetrical with respect to the specific straight line, the first line that is the movement path of the moving member is a line along the specific straight line, and the cam follower is the specific plane. Preferably, a plurality of cam followers move symmetrically with respect to the specific straight line, and the spring applies a force symmetrical to the specific straight line to the plurality of cam followers. . This is because such a symmetrical configuration can appropriately present a pseudo force sense with high energy efficiency as described in the first embodiment.
また、第1,2実施形態では、リニアガイド60により、カムフォロワ81,82の移動方向が第1線L1と略垂直な方向に制限されていた。すなわち、第1線L1と第2線L2とは略垂直であった。しかし、カムフォロワ81,82の移動方向が第1線L1と略垂直でない構成であってもよい。例えば、第1線L1と第2線L2とのなす角度が0°程度や45°程度等であってもかまわない。そして、好ましくは、前述した理由により、加速度発生装置を把持した際、第2線L2方向がひじの曲げ伸ばし方向と略垂直であることが望ましい。
In the first and second embodiments, the
また、第1,2実施形態では、第1線L1及び第2線L2は直線であった。しかし、第1線L1及び第2線L2の少なくとも一方が曲線であってもかまわない。すなわち、リニアガイドが曲線状に構成・配置されてもかまわない。
さらに、カムフォロワ81,82に分銅を固着する構成であってもよく、移動部材40が分銅43を具備しない構成であってもよい。
In the first and second embodiments, the first line L1 and the second line L2 are straight lines. However, at least one of the first line L1 and the second line L2 may be a curve. That is, the linear guide may be configured and arranged in a curved shape.
Furthermore, the structure which fixes a weight to the
また、第1,2実施形態では、バネ90をエネルギー保存機構とし、バネ90の弾性力によって位置エネルギーを保存する構成とした。しかし、磁石をエネルギー保存機構として磁力による位置エネルギーを保存する構成であってもよいし、電荷を帯電させた絶縁体をエネルギー保存機構としてクーロン力による位置エネルギーを保存する構成であってもよい。また、第1,2実施形態では、バネ90を引っ張りバネとしたが、圧縮バネや板バネ等を用いてもよい。要はカムフォロワと移動部材との位置の変化を位置エネルギーとして保存できる構成であればよい。なお、圧縮バネにように、カムフォロワと移動部材との斥力を生じさせる構成の場合は、例えば、カムの曲面が移動部材側(内側)に向くようにカムを構成・配置すればよい。
In the first and second embodiments, the
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。 Needless to say, other modifications are possible without departing from the spirit of the present invention.
物理的に完全な作用力を生じさせるためには通常、その反作用力を支持する支点や力点が必要となるが、本発明では、物理的な作用力としての平均は0のままでありながら、人間の力覚知覚の非線形性と作用力の正負の絶対値の差によって擬似的に狙った方向ヘの力覚表示を可能にする。このように外部に支点を必要としないため感覚提示デバイスとしては、例えば、携帯電話等のモバイル機器やウェアラブルコンピューティングなどの分野を例示できる。 In order to generate a physically complete acting force, a fulcrum or a force point that supports the reaction force is usually required. In the present invention, while the average as the physical acting force remains zero, It enables force display in a pseudo target direction based on the difference between the non-linearity of human force perception and the absolute value of positive and negative acting force. Thus, since a fulcrum is not required outside, as a sensory presentation device, fields, such as mobile devices, such as a mobile phone, and wearable computing, can be illustrated, for example.
1,201 加速度発生装置
10 ベース部
20,220,230 カム
21,22,221,232 曲面
21a,22a,221a,232a 第1領域面
21b,22b,221b,232b 第2領域面
21c,22c,221c,232c 第3領域面
30,60 リニアガイド
40 移動部材
41 スライダ
42 コイル部材
43 分銅
50 シャフト
71,72 スライダ
81,82 カムフォロワ
90 バネ
1,201
21, 22, 221, 232
Claims (10)
上記カムの曲面に対する相対位置が固定された第1線上に移動が制限され、当該第1線上で周期的な並進運動を行う移動部材と、
上記移動部材に対する相対位置が固定された第2線上に移動が制限され、さらに上記カムの曲面に支持されて、上記カムの曲面に沿った移動運動を行うカムフォロワと、
上記移動部材と上記カムフォロワとの距離に依存する位置エネルギーを保存する機構であって、発生した力を上記カムフォロワに与え、上記カムフォロワを上記カムの曲面に押し付けるエネルギー保存機構と、を具備し、
上記カムフォロワと上記移動部材との距離は、上記移動部材の位置に応じ、上記カムの曲面形状に従って変化し、
上記カムの曲面は、第1領域面と第2領域面とを具備し、上記エネルギー保存機構によって上記カムフォロワに加えられる力の方向を基準とした上記第1領域面の角度と、上記エネルギー保存機構によって上記カムフォロワに加えられる力の方向を基準とした上記第2領域面の角度とは、それらの正負及び絶対値が異なり、
上記移動部材の一周期中での加速度の時間変化は、当該加速度の向きが上記第1線に沿った一方向である正方向の場合と、当該加速度の向きが当該正方向の反対方向である負方向の場合とで非対称となる、
ことを特徴とする加速度発生装置。 A cam having a curved surface;
A moving member that is limited in movement on the first line where the relative position of the cam to the curved surface is fixed, and that performs periodic translational movement on the first line;
A cam follower that is limited in movement on the second line, the relative position of which is fixed with respect to the moving member, is supported by the curved surface of the cam, and performs a moving motion along the curved surface of the cam;
A mechanism for storing potential energy depending on a distance between the moving member and the cam follower, the energy storing mechanism for applying the generated force to the cam follower and pressing the cam follower against the curved surface of the cam;
The distance between the cam follower and the moving member changes according to the curved surface shape of the cam according to the position of the moving member,
The curved surface of the cam includes a first region surface and a second region surface, and the angle of the first region surface with respect to the direction of the force applied to the cam follower by the energy storage mechanism, and the energy storage mechanism The angle of the second area surface with respect to the direction of the force applied to the cam follower differs from the positive and negative and absolute values thereof,
The time change of the acceleration in one cycle of the moving member is that the direction of the acceleration is a positive direction that is one direction along the first line, and the direction of the acceleration is a direction opposite to the positive direction. Asymmetric with negative direction,
An acceleration generator characterized by that.
上記移動部材の並進運動は、
正方向の加速度の絶対値の最大値と、負方向の加速度の最大値とが異なり、当該最大値が大きい方向の加速度をもつ時間が、当該最大値が小さい方向の加速度をもつ時間よりも短い運動である、
ことを特徴とする加速度発生装置。 The acceleration generator according to claim 1,
The translational motion of the moving member is
The maximum absolute acceleration value in the positive direction is different from the maximum negative acceleration value, and the time when the maximum value has a larger acceleration is shorter than the time when the maximum value has a smaller acceleration. Is exercise,
An acceleration generator characterized by that.
上記移動部材の並進運動は、
上記移動部材の加速度と、その加速度を人体に加えた際に人体の知覚する加速度と、の関係を示すS字型曲線の傾きが、上記移動部材の正方向の加速度の最大値点と負方向の加速度の最大値点とで異なる運動である、
ことを特徴とする加速度発生装置。 The acceleration generator according to claim 1 or 2,
The translational motion of the moving member is
The slope of the S-shaped curve indicating the relationship between the acceleration of the moving member and the acceleration perceived by the human body when the acceleration is applied to the human body is the maximum point of acceleration in the positive direction of the moving member and the negative direction. The movement is different from the maximum acceleration point of
An acceleration generator characterized by that.
上記エネルギー保存機構によって上記カムフォロワに加えられる力の方向は、上記第1線方向と略垂直である、
ことを特徴とする加速度発生装置。 The acceleration generator according to claim 1,
The direction of the force applied to the cam follower by the energy storage mechanism is substantially perpendicular to the first line direction;
An acceleration generator characterized by that.
上記カムの曲面が具備する上記第1領域面と上記第2領域面とは滑らかに接続される、
ことを特徴とする加速度発生装置。 The acceleration generator according to claim 1,
The first area surface and the second area surface provided on the curved surface of the cam are smoothly connected.
An acceleration generator characterized by that.
上記カムは、特定の平面に対して鏡面対称な2つの曲面を具備し、
上記第1線は、上記特定の平面上の線であり、
上記カムフォロワは、上記特定の平面に対して鏡面対称に2つ設けられ、
上記2つのカムフォロワは、上記特定の平面に対して鏡面対称に移動し、
上記エネルギー保存機構は、上記特定の平面に対して鏡面対称な力を上記2つのカムフォロワに対して与える、
ことを特徴とする加速度発生装置。 The acceleration generator according to any one of claims 1 to 5,
The cam has two curved surfaces that are mirror-symmetric with respect to a specific plane.
The first line is a line on the specific plane,
Two cam followers are provided mirror-symmetrically with respect to the specific plane,
The two cam followers move mirror-symmetrically with respect to the specific plane,
The energy storage mechanism applies a force that is mirror-symmetric with respect to the specific plane to the two cam followers.
An acceleration generator characterized by that.
上記カムは、特定の直線に対して対称な複数の曲面を具備し、
上記第1線は、上記特定の直線に沿った線であり、
上記カムフォロワは、上記特定の平面に対して対称に複数設けられ、
上記複数のカムフォロワは、上記特定の直線に対して対称に移動し、
上記エネルギー保存機構は、上記特定の直線に対して対称な力を上記複数のカムフォロワに対して与える、
ことを特徴とする加速度発生装置。 The acceleration generator according to any one of claims 1 to 5,
The cam includes a plurality of curved surfaces symmetrical with respect to a specific straight line,
The first line is a line along the specific straight line,
A plurality of the cam followers are provided symmetrically with respect to the specific plane,
The plurality of cam followers move symmetrically with respect to the specific straight line,
The energy storage mechanism applies a force symmetrical to the specific straight line to the plurality of cam followers;
An acceleration generator characterized by that.
上記カムが具備する曲面と上記第1線との相対位置を変化させる調整部をさらに有する、
ことを特徴とする加速度発生装置。 The acceleration generating device according to any one of claims 1 to 7,
An adjustment unit that changes a relative position between the curved surface of the cam and the first line;
An acceleration generator characterized by that.
上記調整部は、上記カムが具備する曲面と上記第1線との相対位置を変化させることにより、上記エネルギー保存機構によって上記カムフォロワに加えられる力の方向を基準とした上記第1領域面の角度と、上記エネルギー保存機構によって上記カムフォロワに加えられる力の方向を基準とした上記第2領域面の角度とを、それぞれ変化させる、
ことを特徴とする加速度発生装置。 The acceleration generating device according to claim 8,
The adjustment unit is configured to change a relative position between the curved surface of the cam and the first line, thereby changing an angle of the first region surface with respect to a direction of a force applied to the cam follower by the energy storage mechanism. And the angle of the second region surface with respect to the direction of the force applied to the cam follower by the energy storage mechanism, respectively,
An acceleration generator characterized by that.
上記調整部は、
上記カムが具備する曲面と上記第1線との相対位置の変化に対する、上記移動部材と上記カムフォロワとの距離の変化が所定値以下又は未満となる位置に、上記移動部材及び上記カムフォロワが存在する際に、上記カムが具備する曲面と上記第1線との相対位置を変化させる、
ことを特徴とする加速度発生装置。 The acceleration generator according to claim 8 or 9,
The adjustment unit
The moving member and the cam follower are present at a position where a change in the distance between the moving member and the cam follower is less than or less than a predetermined value with respect to a change in the relative position between the curved surface of the cam and the first line. When changing the relative position between the curved surface of the cam and the first line,
An acceleration generator characterized by that.
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