JP6321268B2 - 擬似力覚発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、擬似的な力覚を利用者に知覚させる技術に関する。

非特許文献１には、反転比の異なる矩型の入力信号をアクチュエータに印加することで、所望の方向に仮想力覚（擬似的な力覚）を提示できることが開示されている。このアクチュエータは、ゲームコントローラ用に開発された振動子であり、原理的にはゲームコントローラに組み込んでゲームコントローラを保持している人に仮想的な牽引力を知覚させることができると考えられる。

暦本純一，"Ｔｒａｘｉｏｎ：仮想力覚提示デバイス"，ＷＩＳＳ２０１３.

仮想力覚を適切に提示するためには、人が把持する部分を所望のパターンおよび振幅で振動させることが効率の観点から望ましい。ところが、振動子を装置全体に剛性の高い部材で接続した場合、把持する部分を所望のパターンおよび振幅で振動させるために装置全体を動かす必要があるため効率が悪くなる。また、振動子の振動が筐体内部の他の部品に悪影響を与えてしまう恐れもある。

本発明は、他の部位への悪影響を抑え、かつ、仮想的な力覚を適切かつ効率的に知覚させる技術を提供する。

本発明では、電子機器と所定の軸に沿った方向への加速度を発生させる加速度発生装置とを、それらの間に配置された非剛体の接続部材によって機械的に接続し、上記所定の軸の電子機器に対する相対的な方向を維持する。

これにより、加速度発生装置の振動（加速度運動）が他の部位に悪影響を与えることを抑制できる。また、電子機器と加速度発生装置とを非剛体の接続部材によって接続するため、装置全体を所望のパターンおよび振幅で振動させる必要がなくなる。また、加速度運動の方向（軸）の電子機器に対する相対的な方向が維持されるため、電子機器を基準とした所望の方向に擬似的な力覚を提示できる。その結果、仮想的な力覚を適切かつ効率的に知覚させることが可能となる。

図１Ａは、実施形態の擬似力覚発生装置の構成を例示した平面図であり、図１Ｂはその右側面図である。 図２は、実施形態の擬似力覚発生装置の構成を例示した分解斜視図である。 図３Ａから図３Ｄは、実施形態の接続部材を例示した分解斜視図である。 図４は、第１実施形態の擬似力覚発生装置の機能構成を例示したブロック図である。 図５Ａおよび図５Ｂは、実施形態の加速度発生装置が含む振動子を例示した概念図である。 図６Ａから図６Ｄは、実施形態の振動子が擬似的な力覚を提示するための制御を説明するための図である。 図７Ａおよび図７Ｂは、実施形態の加速度発生装置が含む振動子を例示した概念図である。 図８は、実施形態の加速度発生装置が含む振動子を例示した概念図である。 図９Ａおよび図９Ｂは、図５Ａおよび図５Ｂの左方向へ擬似的な並進力覚を提示するための制御を行ったときのケースの位置変化および加速度変化を例示した図である。図９Ｃおよび図９Ｄは、図５Ａおよび図５Ｂの右方向へ擬似的な並進力覚を提示するための制御を行ったときのケースの位置変化および加速度変化を例示した図である ケースに生じた加速度のＦＦＴ解析結果を例示した図である。 図１１は、電流の反転比および周波数と知覚された擬似的な力覚の強さとの関係を例示した図である。 図１２は、光信号を用いて加速度発生装置を制御する場合の好ましい配置構成を例示した図である。 図１３は、実施形態の擬似力覚発生装置の構成を例示した平面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
［第１実施形態］
図１Ａ、図１Ｂおよび図２に例示するように、本形態の擬似力覚発生装置１は、電子機器１１と、加速度を発生させる加速度発生装置１２と、電子機器１１と加速度発生装置１２との間に配置され、加速度発生装置１２を外部の電子機器１１に機械的に接続する接続部材（緩衝材）とを有する。

電子機器１１は、加速度発生装置１２の外部の被接続体である。電子機器１１の具体例は、携帯電話、スマートフォン、タブレット型パーソナルコンピュータ等の携帯端末装置や、ゲームコントローラ、人形、ぬいぐるみ等の電子玩具などである。

加速度発生装置１２は、振動子１２０を有し、振動子１２０が所定の軸に沿った周期的な加速度運動を行うことで、当該所定の軸に沿った方向への擬似的な力覚を提示する装置である。図２の例では、加速度発生装置１２の収納部１２ｂに振動子１２０が収納され、振動子１２０を収納した収納部１２ｂに図示していない蓋がかぶせられる。加速度発生装置１２は、所定の軸に沿った方向への周期的な加速度運動であって、かつ、当該所定の軸に沿った第１の方向への加速度と当該第１の方向とは反対の方向への加速度とが非対称であるような加速度運動を行うことで擬似的な力覚を提示する。なお、振動子１２０の構成に特に限定はない。例えば、特許文献１に開示された装置を振動子１２０として用いてもよいし、参考文献１（特許第４５５１４４８号公報）に開示された装置を振動子１２０として用いてもよいし、その他の振動子１２０を用いてもよい。その他の振動子１２０の例については後述する。

接続部材１３は非剛体であり、電子機器１１に対する加速度発生装置１２の発生させる周期的な加速度運動の相対的な方向を維持可能な部材であり、かつ、加速度発生装置１２の発生させる加速度運動が電子機器１１に伝搬しないような部材である。言い換えれば、加速度発生装置１２が所定の軸に沿った方向への擬似的な力覚を提示可能であるとして、接続部材１３は当該所定の軸の電子機器１１に対する相対的な方向（角度）が維持可能な部材である。なお、「相対的な方向を維持する」とは厳密に方向が変動しないことだけを指すのではなく、擬似的な力覚を所望の方向に提示するという目的を達成可能な程度に、電子機器１１に対する加速度発生装置１２が発生させる周期的な加速度運動の相対的な方向が変動しないことを意味する。また接続部材１３は、例えば、衝撃吸収材から構成されることが望ましい。例えば、シリコンを主材としたゲル状物質（固体と液体の中間状態物質）や軟質ウレタンフォーム等のスポンジなどの、硬度が低くかつ反発係数が小さい材質から構成されることが望ましい。また、本形態の接続部材１３は導電性材料を含む。例えば、接続部材１３が導電性を持つ衝撃吸収材を含んでいてもよいし、非導電性の衝撃吸収材とその表面に製膜された導電性膜とを含んでいてもよいし、導電性ケーブルとそれを覆う非導電性の衝撃吸収材とを含んでいてもよい。例えば、図３Ａおよび図３Ｂに例示するように、接続部材１３が、非導電性の衝撃吸収材からなる非導電性部１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃと、非導電性部１３２ａと非導電性部１３２ｂの間に介在した導電性の衝撃吸収材である導電性部１３１ａと、非導電性部１３２ｂと非導電性部１３２ｃの間に介在した導電性の衝撃吸収材である導電性部１３１ｂとを含んでいてもよい。これにより板面１３ａ側と板面１３ｂ側とを電気的に接続する、互いに絶縁された２つの伝送路（導電性部１３１ａ，１３１ｂ）が構成されている。或いは、図３Ｃおよび図３Ｄに例示するように、非導電性の衝撃吸収材である基部１３３の表面に互いに非接触な２つの導電性膜１３４ａ，１３４ｂが設けられてもよい。これによって、板面１３ａ側と板面１３ｂ側とを電気的に接続する互いに絶縁された２つの伝送路（導電性膜１３４ａ，１３４ｂ）が構成されている。その他、板面１３ａ側と板面１３ｂ側とを接続する互いに非接触な２本の導電性ケーブルを非導電性の衝撃吸収材で覆うことで接続部材１３が構成されてもよい。なお、非導電性の衝撃吸収材の具体例としては、「衝撃吸収シートβゲル」（http://www.tech-jam.com/items/tjn1110795.phtml等参照）や軟質ウレタンフォーム等を例示できる。導電性の衝撃吸収材の具体例としては、軟質ウレタンフォームに導電性を持たせた「導電性ウレタンフォーム」（http://www.softpren.co.jp/material-handling/urethane-foam/uf07)等を例示できる。

図１Ａ、図１Ｂ、および図２に例示するように、電子機器１１の１つの側面１１ａに接続部材１３の板面１３ａが固定され、接続部材１３の板面１３ａの反対面である板面１３ｂが加速度発生装置１２の１つの側面１２ａに固定されている。これにより、加速度発生装置１２が接続部材１３を介して電子機器１１に機械的に接続され、電子機器１１に対する加速度発生装置１２が発生させる加速度の相対的な方向を維持したまま、全体として一体化されている。例えば、加速度発生装置１２内の振動子の運動方向が電子機器１１の側面１１aと平行な方向に保たれるように、電子機器１１と加速度発生装置１２とを接続部材１３により接続する。あるいは、加速度発生装置１２内の振動子の運動方向が電子機器１１の側面１１aに対して垂直な方向に保たれるように、電子機器１１と加速度発生装置１２とを接続部材１３により接続する。さらに、本形態では、加速度発生装置１２は、接続部材１３を介して外部の電子機器１１に電気的に接続されている。例えば、加速度発生装置１２は、図３Ａおよび図３Ｂに例示したような接続部材１３に構成された２つの伝送路を通じ、電子機器１１に電気的に接続されている。これにより、電子機器１１は、接続部材１３を介し、加速度発生装置１２を制御するための電気信号を加速度発生装置１２に供給可能となっている。なお、電子機器１１と２つの伝送路との間に公知のコネクタが介在してもよいし、これらの伝送路と加速度発生装置１２との間に公知のコネクタが介在してもよい。

例えば、図４に例示するように、電子機器１１は、力覚指定部１１１、制御部１１２、および出力部１１３を有し、加速度発生装置１２は、入力部１２７と振動子１２０とを有する。なお、力覚指定部１１１および制御部１１２は、例えば、ＣＰＵ（central processing unit）等のプロセッサ（ハードウェア・プロセッサ）やＲＡＭ（random-access memory）等のメモリ等を備える汎用または専用のコンピュータに、所定のプログラムが読み込まれて構成される装置である。力覚指定部１１１および制御部１１２を構成する一部またはすべての処理部がＣＰＵ以外の電子回路（circuitry）によって構成されていてもよい。なお、ＣＰＵも電子回路（circuitry）の一種である。入力部１２７および出力部１１３は公知のコネクタ等のインタフェースや電子回路等からなる。

力覚指定部１１１には、どのような力覚を提示するのかを指定するための情報（指定情報）が入力される。指定情報の例は、力覚の提示方向を特定する情報、力覚の強さを特定する情報などである。力覚指定部１１１は、入力された指定情報が特定する力覚を提示させるための制御信号を制御部１１２に送る。制御部１１２は、入力された制御信号に応じ、加速度発生装置１２に入力する電流を生成して出力部１１３に出力する。出力部１１３は、この電流を接続部材１３経由で加速度発生装置１２に送る。電流は加速度発生装置１２の入力部１２７に入力され、振動子１２０に供給される。振動子１２０は、入力された電流に応じた動作を行い、これにより、指定情報によって特定された力覚を提示する。

＜振動子の例示＞
図５Ａおよび図５Ｂは、振動子１２０の一例を例示した概念図であり、その長手方向の断面を例示している。図５Ａおよび図５Ｂに例示するように、この例の振動子１２０は、例えば、支持部１２１、ばね１２２，１２３、コイル１２４、永久磁石１２５、およびケース１２６を有している。ケース１２６および支持部１２１は、ともに円筒の両方の開放端を閉じた形状からなる中空の部材である。ただし、支持部１２１は、ケース１２６よりも小さく、ケース１２６の内部に収容可能な大きさである。ケース１２６および支持部１２１は、例えば、ＡＢＳ樹脂等の合成樹脂から構成される。ばね１２２，１２３は、例えば、金属等から構成されるつるまきばねや板ばね等である。ばね１２２，１２３のばね定数は同一であることが望ましいが、互いに相違していてもよい。永久磁石１２５は、例えば、円柱形状の永久磁石であり、長手方向の一方の端部１２５ａ側がＮ極であり、他方の端部１２５ｂ側がＳ極である。コイル１２４は、例えば、一つながりのエナメル線であり、第１巻き部１２４ａと第２巻き部１２４ｂとを有する。

永久磁石１２５は支持部１２１の内部に収容され、そこで長手方向にスライド可能に支持されている。このような支持機構の詳細は図示しないが、例えば、支持部１２１の内壁面に長手方向に沿ったまっすぐなレールが設けられ、永久磁石１２５の側面にこのレールをスライド可能に支持するレール支持部が設けられている。支持部１２１の長手方向の一端側の内壁面１２１ａには、ばね１２２の一端が固定され、ばね１２２の他端は永久磁石１２５の端部１２５ａに固定されている。また、支持部１２１の長手方向の他端側の内壁面１２１ｂには、ばね１２３の一端が固定され、ばね１２３の他端は永久磁石１２５の端部１２５ｂに固定されている。

支持部１２１の外周側にはコイル１２４が巻きつけられている。ただし、永久磁石１２５の端部１２５ａ側（Ｎ極側）では、第１巻き部１２４ａがＡ_１方向（奥から手前に向けた方向）に巻きつけられており、端部１２５ｂ側（Ｓ極側）では、第２巻き部１２４ｂがＡ_１方向と反対向きのＢ_１方向（手前から奥に向けた方向）に巻き付けられている。すなわち、永久磁石１２５の端部１２５ａ側（Ｎ極側）からみた場合、第１巻き部１２４ａは時計回りに巻き付けられており、第２巻き部１２４ｂは反時計回りに巻き付けられている。また、永久磁石１２５が停止し、ばね１２２，１２３からの弾性力が釣り合った状態において、永久磁石１２５の端部１２５ａ側（Ｎ極側）が第１巻き部１２４ａの領域に配置され、端部１２５ｂ側（Ｓ極側）が第２巻き部１２４ｂの領域に配置されることが望ましい。

以上のように配置構成された支持部１２１、ばね１２２，１２３、コイル１２４、および永久磁石１２５が、ケース１２６内に収容され、支持部１２１がケース１２６の内部に固定されている。ただし、ケース１２６の長手方向は、支持部１２１の長手方向および永久磁石１２５の長手方向と一致する。

コイル１２４にＡ_１方向（Ｂ_１方向）に電流を流すと、フレミングの左手の法則で説明されるローレンツ力の反作用により、永久磁石１２５−ｉにＣ_１方向（永久磁石１２５−ｉのＮ極からＳ極に向かう方向：右方向）の力が加えられる（図５Ａ）。逆に、コイル１２４にＡ_２方向（Ｂ_２方向）に電流を流すと、永久磁石１２５にＣ_２方向（永久磁石１２５のＳ極からＮ極に向かう方向：左方向）の力が加えられる（図５Ｂ）。ただし、Ａ_２方向はＡ_１方向の反対方向である。これらの動作により、永久磁石１２５およびばね１２２，１２３からなる系に運動エネルギーが与えられる。それにより、ケース１２６を基準とする永久磁石１２５の位置および加速度を変化させることができる。

ここで、コイル１２４に所定の方向に電流を流す期間（時間）とそれ以外の期間とを周期的に繰り返す。その際、所定の方向に電流を流す期間とそれ以外の期間との比（反転比）を何れか一方の期間に偏らせることにより、所望の方向に擬似的な力覚を提示できる。以下、図６Ａから図６Ｄを用いてこの制御を例示する。ただし、図６Ａから図６Ｄの縦軸はコイル１２４に流す電流値（電流指令値）［Ａ］を表し、横軸は時間［ｍｓｅｃ］を表す。Ａ_１方向（Ｂ_１方向）の電流値を正で表現し、Ａ_２方向（Ｂ_２方向）の電流値を負で表現している。

図６Ａおよび図６Ｂは、Ａ_１方向（Ｂ_１方向）の電流（Ｘ）を流す期間（時間）ｔ_１とＡ_２方向（Ｂ_２方向）の電流（−Ｘ）を流す期間ｔ_２とを周期的に繰り返す例である。この場合、Ａ_１方向（Ｂ_１方向）の電流を流す期間ｔ_１とＡ_２方向（Ｂ_２方向）の電流を流す期間ｔ_２との比（反転比ｔ_１：ｔ_２）に応じ、図５Ａおよび図５Ｂの左方向または右方向に擬似的な力覚を提示できる。すなわち、図５Ａおよび図５Ｂの左方向に擬似的な力覚を提示する場合には、ｔ_１＞ｔ_２となる反転比の周期的な電流をコイル１２４に流す（図６Ａ）。例えば、反転比ｔ_１：ｔ_２＝１８ｍｓｅｃ：７ｍｓｅｃの周期的な電流（４０Ｈｚの周波数の電流）をコイル１２４に流す。逆に、右方向に擬似的な力覚を提示する場合には、ｔ_１＜ｔ_２となる反転比の周期的な電流をコイル１２４に流す（図６Ｂ）。例えば、反転比ｔ_１：ｔ_２＝７ｍｓｅｃ：１８ｍｓｅｃの周期的な電流（４０Ｈｚの周波数の電流）をコイル１２４に流す。

図６Ｃおよび図６Ｄは、Ａ_２方向（Ｂ_２方向）の電流（−Ｘ）を流す期間ｔ_２と電流を流さない期間ｔ_１とを周期的に繰り返すか、Ａ_１方向（Ｂ_１方向）の電流（Ｘ）を流す期間（時間）ｔ_１と流さない期間ｔ_２とを周期的に繰り返す例である。ただし、期間ｔ_１と期間ｔ_２との反転比ｔ_１：ｔ_２が何れかの期間に偏っている。すなわち、左方向に擬似的な力覚を提示する場合には、Ａ_２方向（Ｂ_２方向）の電流（−Ｘ）を流す期間ｔ_１と電流を流さない期間ｔ_２とを周期的に繰り返す電流をコイル１２４に流す。この電流の反転比ｔ_１：ｔ_２は期間ｔ_１に偏っており、ｔ_１＞ｔ_２である（図６Ｃ）。例えば、反転比ｔ_１：ｔ_２＝１８ｍｓｅｃ：７ｍｓｅｃの電流をコイル１２４に流す。逆に、右方向に擬似的な力覚を提示する場合には、Ａ_１方向（Ｂ_１方向）の電流（Ｘ）を流す期間（時間）ｔ_１と流さない期間ｔ_２とを周期的に繰り返す電流をコイル１２４に流す。この電流の反転比ｔ_１：ｔ_２は期間ｔ_２に偏っており、ｔ_１＜ｔ_２である（図６Ｄ）。例えば、反転比ｔ_１：ｔ_２＝７ｍｓｅｃ：１８ｍｓｅｃの電流をコイル１２４に流す。

なお、説明の便宜上、図６Ａから図６Ｄに図示した電流値（電流指令値）は矩形波であった。しかしながら、所定の方向に電流を流す期間とそれ以外の期間とを周期的に繰り返す電流であって、所定の方向に電流を流す期間とそれ以外の期間との反転比が何れか一方の期間に偏っているのであれば、どのような波形の電流であってもよい。例えば、立ち上がりや立ち下がりが鈍った電流であってもよいし、リップルを含む電流であってもよい。また、所定の方向に電流を流す期間とその逆の方向に電流を流す期間とを周期的に繰り返す電流であって、所定の方向の電流の振幅値またはその平均値と、その逆の方向の電流の振幅値またはその平均値とが互いに相違していてもよい。

また、図５Ａおよび図５Ｂに例示した振動子１２０の変形例として、永久磁石１２５の端部１２５ａ側（Ｎ極側）または端部１２５ｂ側（Ｓ極側）のみにコイル１２４が巻き付けられていてもよい。例えば、図７Ａおよび図７Ｂのように、支持部１２１の外周側の端部１２５ｂ側（Ｓ極側）のみにコイル１２４が巻き付けられていてもよい。このような場合の制御およびそれによって提示される擬似的な力覚の方向は、図５Ａおよび図５Ｂに例示した振動子１２０と同じである。

あるいは、図８に例示するように、図５Ａおよび図５Ｂに例示した振動子１２０のコイル１２４に代えて、支持部１２１の外周側の端部１２５ａ側（Ｎ極側）にＡ_１方向に巻きつけられた第１巻き部１２４ａ’側のコイルと、支持部１２１の外周側の端部１２５ｂ側（Ｓ極側）にＢ_１方向（Ａ_１方向と反対向き）に巻き付けられた第２巻き部１２４ｂ’側のコイルとが別々のものが用いられてもよい。すなわち、第１巻き部１２４ａ’側のコイルと第２巻き部１２４ｂ’側のコイルとが電気的に接続されておらず、互いに異なる電気信号を与えることができる構成であってもよい。

図８の例の場合、第１巻き部１２４ａ’側のコイルのみにＡ_１方向の逆向きのＡ_２方向の電流（−Ｘ）を流す期間ｔ_１と電流を流さない期間ｔ_２とを周期的に繰り返すか、第２巻き部１２４ｂ’側のコイルのみにＢ_１方向の電流（Ｘ）を流す期間（時間）ｔ_１と流さない期間ｔ_２とを周期的に繰り返す。ただし、期間ｔ_１と期間ｔ_２との反転比ｔ_１：ｔ_２が何れか一方の期間に偏っている。すなわち、図８の左方向に擬似的な力覚を提示する場合には、第１巻き部１２４ａ’側のコイルのみにＡ_２方向の電流（−Ｘ）を流す期間ｔ_２と電流を流さない期間ｔ_１とを周期的に繰り返す電流を流すが、この電流の反転比ｔ_１：ｔ_２は期間ｔ_１に偏っており、ｔ_１＞ｔ_２である（図６Ｃ）。例えば、反転比ｔ_１：ｔ_２＝１８ｍｓｅｃ：７ｍｓｅｃの電流を流す。逆に、右方向に擬似的な力覚を提示する場合には、第２巻き部１２４ｂ’側のコイルのみにＢ_１方向の電流（Ｘ）を流す期間（時間）ｔ_１と流さない期間ｔ_２とを周期的に繰り返す電流を流すが、この電流の反転比ｔ_１：ｔ_２は期間ｔ_２に偏っており、ｔ_１＜ｔ_２である（図６Ｄ）。例えば、反転比ｔ_１：ｔ_２＝７ｍｓｅｃ：１８ｍｓｅｃの電流を流す。

＜例示した振動子が擬似的な力覚を提示できる理由＞
ある質量をもった物体の並進運動を考える。この並進運動は、擬似力覚を提示したい方向へ大きな加速度で短時間で移動し、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（例えば、参考文献１参照）。上述のように、所定の方向に電流を流す期間とそれ以外の期間との反転比を何れかの期間に偏らせた電流をコイルに流すことにより、永久磁石１２５に偏加速度を与えることができ、それによって所望の方向へ擬似的な力覚を提示することができる。

図９Ａおよび図９Ｂは、Ａ_１方向（Ｂ_１方向）の電流を流す期間（時間）ｔ_１とＡ_２方向（Ｂ_２方向）の電流を流す期間ｔ_２とを反転比ｔ_１：ｔ_２＝１８ｍｓｅｃ：７ｍｓｅで繰り返す４０Ｈｚの周波数の電流を、図５Ａおよび図５Ｂに例示した振動子１２０のコイル１２４に流した場合における、ケース１２６を手で把持した場合の外界を基準としたケース１２６の位置の変化および加速度変化をそれぞれ例示している。一方、図９Ｃおよび図９Ｄは、Ａ_１方向（Ｂ_１方向）の電流を流す期間（時間）ｔ_１とＡ_２方向（Ｂ_２方向）の電流を流す期間ｔ_２とを反転比ｔ_１：ｔ_２＝７ｍｓｅ：１８ｍｓｅｃで繰り返す４０Ｈｚの周波数の電流を、コイル１２４に流した場合における、ケース１２６を手で把持した場合の外界を基準としたケース１２６の位置変化および加速度変化をそれぞれ例示している。なお、図９Ａから図９Ｄの横軸は時間［Ｓｅｃ］を表し、図９Ａおよび図９Ｃの縦軸は外界を基準とした場合のケース１２６の位置変化［ｍｍ］を表し、図９Ｂおよび図９Ｄの縦軸は外界を基準とした場合のケース１２６の加速度変化［ｍ／ｓ^２］を表す。図５Ａおよび図５Ｂの左方向が図９Ａから図９Ｄの縦軸の正方向であり、右方向が負方向である。図９Ｂに例示するように、反転比ｔ_１：ｔ_２＝１８ｍｓｅｃ：７ｍｓｅの電流を流した場合、ｔ_１の始まりの時点（ｔ_２からｔ_１に切り替わる時点）で，図５Ａおよび図５Ｂの永久磁石１２５が左に動いている状態から急激に右方向へ動かす力が働くため、その反作用でケース１２６に左方向へ大きな加速度が生ずる。一方、ｔ_２の始まる時点（ｔ_１からｔ_２に切り替わる時点）では、ｔ_１の間に移動して静止している永久磁石１２５が左方向に動くため、その反作用で生ずるケース１２６への右方向の加速度はｔ_１の開始時点より大きさが小さい。その結果、ケース１２６の加速度に左右差が生じ，左方向へ擬似的な力覚が提示される。逆に、図９Ｄに例示するように、反転比ｔ_１：ｔ_２＝７ｍｓｅ：１８ｍｓｅｃの電流を流した場合、図５Ａおよび図５Ｂの右方向へはケース１２６に大きな加速度が生じ、左方向へは小さな加速度が生ずる。その結果、右方向へ擬似的な力覚が提示される。

＜知覚される擬似的な力覚の強さと周波数との関係＞
８０Ｈｚまたは８０Ｈｚ付近の周波数成分は、動物（人を含む）の皮膚・筋・腱の受容器の中で、方向や加速度の知覚に寄与する受容器の神経活動を最も活発化させる周波数である。そのため、８０Ｈｚまたはその付近の周波数成分を持つ加速度が与えられた人（動物）は強い力覚や動きを知覚する。図１０に図９Ｂに示した加速度のＦＦＴ周波数解析結果を示す。図１０で、横軸は周波数、縦軸はその周波数での加速度のパワーを示す。基本周波数の４０Ｈｚに加え、８０Ｈｚ付近で加速度に大きなパワーが含まれていることが示されている。加速度がこの周波数付近の成分をもつことと、加速度の非対称性（偏加速度）により、強い疑似的な力覚を提示できる。

図１１に知覚明瞭性の実験結果を示す。実験では、図５Ａおよび図５Ｂに例示した振動子１２０（１７ｍｍ×１７ｍｍ×３３ｍｍのＡＢＳ樹脂製の直方体型のケース１２６に各部が収容されている）を用いた。２７〜４９歳の右利き７名の実験協力者が実験に参加した。実験協力者は右手の親指と人差し指で振動子１２０をつまみ、振動子１２０が１秒ごとに力覚の提示方向を切り替え、３秒間継続して力覚を提示した。実験協力者は方向の切り替わりを含め、明瞭に力の方向とその変化を感じたときに「１」、それ以外のときに「０」を回答した。実験参加者に反応に関するフィードバックは与えられなかった。図５Ａおよび図５Ｂの左方向に擬似的な力覚を提示する場合には、Ａ_１方向（Ｂ_１方向）の電流（Ｘ）を流す期間ｔ_１と逆の電流（−Ｘ）を流す期間ｔ_２とを周期的に繰り返す電流をコイル１２４に流した。逆に、右方向に擬似的な力覚を提示する場合には、Ａ_２方向（Ｂ_２方向）の電流（−Ｘ）を流す期間（時間）ｔ_１と逆の電流（Ｘ）を流す期間ｔ_２とを周期的に繰り返す電流をコイル１２４に流した。また、
ｔ_１：１，３，５，７，９，１２，１５［ｍｓ］
ｔ_２：１２，１８，２３，３３，４３［ｍｓ］
からなる組み合わせのうち、ｔ_１＜ｔ_２となる組み合わせからなる、計３３条件の反転比ｔ_１：ｔ_２について実験を行った。すべての条件でアンプのゲインは同一とした。図１１の横軸は電流の周波数（１／（ｔ_１＋ｔ_２））を表し、縦軸は分数表記した反転比（ｔ_２／ｔ_１）を表し、●（塗りつぶされた○）は正解率１００％、○は正解率７５％以上１００％未満、△は正解率５０％以上７５％未満、×は正解率５０％未満であったことを示す。なお、「正解」とは、実際に提示された力覚の方向とその変化と実験協力者の回答とが一致したことを表す。図１１から４０Ｈｚまたはその近傍の周期の電流を用いることで方向性を持つ強い力覚を提示できることが分かる。

＜本形態の特徴＞
本形態では、加速度発生装置１２が非剛体の接続部材１３を介して電子機器１１に接続されるため、振動子１２０を含む振動系を加速度発生装置１２側にほぼ分離できる。そのため、加速度発生装置１２側のみを所望のパターンおよび振幅で振動させればよく、擬似力覚発生装置１全体をそのように振動させる必要はない。また、本形態では、加速度発生装置１２で発生する振動が電子機器１１にほとんど伝わらない。そのため、加速度発生装置１２で発生するが電子機器１１の他の部品に悪影響を与えることを抑制できる。一方、加速度発生装置１２を手で触れると手のみに振動が伝わり、擬似的な力覚を提示できる。また、擬似力覚発生装置１は、加速度発生装置１２が発生させる周期的な加速度運動の軸の電子機器１１に対する相対的な方向（角度）を維持したまま、全体として一体化される。そのため、電子機器１１を基準とした所望の方向に擬似的な力覚を提示することができる。すなわち、例えば、電子機器１１と加速度発生装置１２とをケーブルや紐等で繋いだ場合には、加速度発生装置１２が発生させる周期的な加速度運動の軸の電子機器１１に対する相対的な方向が維持されない。この場合、電子機器１１がある方向に擬似的な力覚を提示しようとしても、加速度発生装置１２の加速度運動の向き自体を制御できないのであるから、電子機器１１を基準とした所望の方向に擬似的な力覚を提示することはできない。本形態では、加速度発生装置１２が発生させる周期的な加速度運動の軸の電子機器１１に対する相対的な方向を維持できるため、このような問題は生じない。なお、上述の例では、加速度発生装置１２内の振動子が一つである場合を例として、加速度発生装置１２が一つの軸方向への加速度を提示する場合を説明したが、加速度発生装置内に複数の振動子を備え、それぞれが異なる軸方向への加速度を提示可能な構成としてもよい。この場合も、各振動子の並進運動の軸の電子機器１１に対する相対的な方向が維持されるように、接続部材１３により電子機器１１と加速度発生装置１２とが接続されるものとする。

［第２実施形態］
第２実施形態は接続部材が非導電性材料からなる形態である。この形態では接続部材を介して電流を伝達できない。そのため、電子機器は、加速度発生装置を制御するための信号を無線送信する送信部を含み、加速度発生装置は、信号を受信する受信部を含む。以下では、第１実施形態との相違点を中心に説明する。

図１Ａ、図１Ｂおよび図２に例示するように、本形態の擬似力覚発生装置２は、電子機器２１と、加速度を発生させる加速度発生装置２２と、電子機器２１と加速度発生装置２２との間に配置され、加速度発生装置２２を外部の電子機器２１に機械的に接続する接続部材２３とを有する。第１実施形態と同様、接続部材２３は非剛体であり、加速度発生装置１２が発生させる周期的な加速度運動の軸の電子機器２１に対する相対的な方向を維持可能な部材である。接続部材２３は、弾性体であってもなくてもよく、例えば、衝撃吸収材から構成されることが望ましい。ただし、本形態の接続部材２３は非導電性の材質からなる。

図１Ａ、図１Ｂ、および図２に例示するように、電子機器２１の１つの側面２１ａに接続部材２３の板面２３ａが固定され、接続部材２３の板面２３ａの反対面である板面２３ｂが加速度発生装置２２の１つの側面２２ａに固定されている。これにより、加速度発生装置２２が接続部材２３を介して電子機器２１に機械的に接続され、加速度発生装置１２が発生させる周期的な加速度運動の軸の電子機器２１に対する加速度発生装置２２の相対的方向を維持したまま、全体として一体化されている。そのため、電子機器２１を基準とした所望の方向に擬似的な力覚を提示することができる。ただし、本形態では、加速度発生装置２２と電子機器２１とが電気的に接続されていない。そのため、電子機器２１は、加速度発生装置２２を制御するための信号を無線送信し、加速度発生装置２２は、受信したその信号に従って駆動する。

例えば、図４に例示するように、電子機器２１は、力覚指定部１１１、制御部１１２、および出力部２１３（送信部）を有し、加速度発生装置２２は、入力部２２７（受信部）と振動子１２０とを有する。出力部２１３は、制御部１１２から出力された電流を無線信号に変換して送信する。入力部２２７は、送信された無線信号から振動子１２０を制御するための電流を得て出力する。振動子１２０は、入力された電流に応じた動作を行い、これにより、指定情報によって特定された力覚を提示する。また、加速度発生装置２２と電子機器２１とが電気的に接続されていないため、加速度発生装置２２は自ら電源部２２９（例えば、バッテリー等を含む電源回路）を有することにしてもよい。或いは、電子機器２１が非接触電力伝送部２１４を有し、加速度発生装置２２が非接触電力受信部２１８を有し、公知の非接触電力伝送技術によって、非接触電力伝送部２１４から非接触電力受信部２１８に電力供給が行われてもよい。

［第３実施形態］
第３実施形態は接続部材が透過材料を含む形態である。電子機器は、加速度発生装置を制御するための光信号を出力し、この光信号は、接続部材を通過して加速度発生装置に入力される。以下では、第１実施形態との相違点を中心に説明する。

図１Ａ、図１Ｂ、図２、および図１２に例示するように、本形態の擬似力覚発生装置３は、電子機器３１と、加速度を発生させる加速度発生装置３２と、電子機器３１と加速度発生装置３２との間に配置され、加速度発生装置３２を外部の電子機器３１に機械的に接続する接続部材３３とを有する。第１実施形態と同様、接続部材３３は非剛体であり、加速度発生装置１２が発生させる周期的な加速度運動の軸の電子機器３１に対する相対的な方向を維持可能な部材である。接続部材３３は、弾性体であってもなくてもよく、例えば、衝撃吸収材から構成されることが望ましい。ただし、本形態の接続部材３３は、加速度発生装置３２を制御するための光信号（例えば、赤外線、可視光、赤外線など）を透過する透過材料（例えば、透明材料や半透明材料）からなる。接続部材３３は、導電性材料であってもよいし、非導電性材料であってもよい。例えば、シリコンを主材としたゲル状物質等を接続部材３３として用いることができる。本形態の電子機器３１は、加速度発生装置３２を制御するための光信号を出力し、加速度発生装置３２は、受信したその光信号に従って駆動する。

例えば、図４に例示するように、電子機器３１は、力覚指定部１１１、制御部１１２、および出力部３１３（光信号送信部）を有し、加速度発生装置３２は、入力部２２７（光信号受信部光号送信部）と振動子１２０とを有する。出力部３１３は、制御部１１２から出力された電流を赤外線等の光信号に変換して出射する。光信号は、出力部３１３と入力部３２７との間に配置された接続部材３３の板面３３ａに入射し、入射された光信号（外部からの光信号）は、この接続部材３３を通過して板面３３ａの反対側の板面３３ｂから出射される。この光信号は加速度発生装置３２の入力部３２７に入力される。入力部３２７は、光信号から振動子１２０を制御するための電流を得て出力する。振動子１２０は、入力された電流に応じた動作を行い、これにより、指定情報によって特定された力覚を提示する。また、加速度発生装置３２と電子機器３１とが電気的に接続されていないため、加速度発生装置３２は自ら電源部２２９を有することにしてもよい。或いは、電子機器３１が非接触電力伝送部２１４を有し、加速度発生装置３２が非接触電力受信部２１８を有し、公知の非接触電力伝送技術によって、非接触電力伝送部２１４から非接触電力受信部２１８に電力供給が行われてもよい。

なお、接続部材３３の透明度が高いほど、入力部２２７に入力される光信号のＳ／Ｎ比が高くなる。そのため、接続部材３３は透明材料であることが望ましい。また、図１２に例示するように、出力部３１３から出射された光信号の接続部材３３への入力方向Ｌが、出力部３１３に面する（外部に面する）板面３３ａと入力部３２７に面する板面１３ｂと略垂直（垂直またはその近傍）であることが望ましい。言い換えると、出力部３１３側から接続部材３３側への板面３３ａでの入射角がほぼ０度（０度またはその近傍）であり、かつ、接続部材３３側から入力部２２７側への板面３３ｂでの入射角がほぼ０度（０度またはその近傍）であることが望ましい。これにより、屈折がほどんど無い光信号を伝送できる。

［第４実施形態］
本形態は、接続部材の変形例である。本形態では、接続部材の一端が加速度発生装置に固着され、接続部材の他端がイヤホンジャックやコネクタ等の電子機器に着脱可能な接続部となっている形態である。以下では、上述の各実施形態との相違点を中心に説明する。

図１３に例示するように、本形態の擬似力覚発生装置４は、電子機器４１と、加速度を発生させる加速度発生装置４２と、電子機器４１と加速度発生装置４２との間に配置され、加速度発生装置４２を電子機器４１に機械的に接続する接続部材４３とを有する。接続部材３３は非剛体であり、加速度発生装置１２が発生させる周期的な加速度運動の軸の電子機器４１に対する相対的な方向を維持可能な部材である。接続部材４３は、弾性体であってもなくてもよく、例えば、衝撃吸収材から構成されることが望ましい。ただし、本形態の接続部材４３の一端は加速度発生装置４２に固着され、接続部材４３の他端がイヤホンジャックやコネクタ等の電子機器４１に着脱可能な接続部となっている。接続部材４３の他端は、電子機器４１のイヤホン端子やコネクタ等に挿入される。これにより、加速度発生装置４２が接続部材４３を介して電子機器４１に機械的に接続され、加速度発生装置１２が発生させる周期的な加速度運動の軸の電子機器４１に対する相対的な方向を維持したまま、全体として一体化される。その結果、電子機器４１を基準とした所望の方向に擬似的な力覚を提示できる。接続部材３３は、導電性材料から構成されていてもよいし、非導電性材料から構成されていてもよいし、導電性材料と非導電性材料から構成されていてもよい。例えば、接続部材３３は、互いに絶縁された２本の導電性ケーブル（２本の伝送路）を非導電性の衝撃吸収材で覆ったものでもよいし、非導電性の衝撃吸収材のみから構成されたものであってもよい。接続部材４３が伝送路を構成する導電性材料を含む場合には、第１実施形態と同様、電子機器４１が、接続部材４３を介し、加速度発生装置４２を制御するための電気信号を加速度発生装置４２に供給し、加速度発生装置４２の振動子１２０は、この電流に応じた動作を行う。一方、電子機器４１が、伝送路を構成する導電性材料を含まない場合には、第２実施形態と同様に、電子機器４１は、加速度発生装置４２を制御するための信号を無線送信し、加速度発生装置４２は、受信したその信号に従って駆動する。また、この場合には、加速度発生装置４２が電源部２２９を有していてもよいし、電子機器４１が非接触電力伝送部２１４を有し、加速度発生装置４２が非接触電力受信部２１８を有し、公知の非接触電力伝送技術によって、非接触電力伝送部２１４から非接触電力受信部２１８に電力供給が行われてもよい。

［その他の変形例等］
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、電子機器と加速度発生装置と接続部材とを含む擬似力覚発生装置が市場で取引されてもよいが、加速度発生装置と接続部材とからなる擬似力覚発生装置（電子機器を含まない）が市場で取引されてもよい。この場合、加速度発生装置と接続部材とからなる擬似力覚発生装置を取得した利用者は、自ら使用するスマートフォン等の電子機器に取得した擬似力覚発生装置を装着して利用する。また、上述の実施形態では、加速度発生装置が接続部材を介して機械的に接続される外部の被接続体が電子機器であった。しかしながら、速度発生装置と接続部材とからなる擬似力覚発生装置（電子機器を含まない）が、電子機器以外の携帯物である外部の被接続体（例えば、カード、手帳、財布、人形など）に装着されて利用されてもよい。また、上述の実施形態では、制御部１１２が入力された制御信号に応じ、振動子１２０に入力する電流を制御する例を示した。しかしながら、制御部１１２が入力された制御信号に応じ、振動子１２０に印加する電圧を制御してもよい。また、加速度発生装置が、振動方向が異なる複数個の振動子１２０を有し、振動子１２０が周期的な加速度運動を行うことで２以上の自由度の擬似的な並進力覚を提示できてもよいし、１以上の自由度の回転力覚を提示できてもよい。なお、「並進力覚」とは、並進運動する物体の進行方向の力覚（すなわち、直線方向の力覚）を意味し、「回転力覚」とは、回転運動する物体の回転方向の力覚を意味する。なお、「疑似的な力覚」とは、実際には物体（擬似力覚発生装置）が並進運動や回転運動をしていないにも関わらず、あたかも並進や回転方向へ動きそうな力が働いているような知覚が生成されることをいう。

力覚指定部１１１や制御部１１２の構成をコンピュータによって実現する場合、その機能の処理内容はプログラムによって記述される。このプログラムをコンピュータで実行することにより、上記処理機能がコンピュータ上で実現される。この処理内容を記述したプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録しておくことができる。コンピュータで読み取り可能な記録媒体の例は、非一時的な（non-transitory）記録媒体である。このような記録媒体の例は、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、半導体メモリ等である。

このプログラムの流通は、例えば、そのプログラムを記録したＤＶＤ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬型記録媒体を販売、譲渡、貸与等することによって行う。さらに、このプログラムをサーバコンピュータの記憶装置に格納しておき、ネットワークを介して、サーバコンピュータから他のコンピュータにそのプログラムを転送することにより、このプログラムを流通させる構成としてもよい。

このようなプログラムを実行するコンピュータは、例えば、まず、可搬型記録媒体に記録されたプログラムもしくはサーバコンピュータから転送されたプログラムを、一旦、自己の記憶装置に格納する。処理の実行時、このコンピュータは、自己の記録装置に格納されたプログラムを読み取り、読み取ったプログラムに従った処理を実行する。このプログラムの別の実行形態として、コンピュータが可搬型記録媒体から直接プログラムを読み取り、そのプログラムに従った処理を実行することとしてもよく、さらに、このコンピュータにサーバコンピュータからプログラムが転送されるたびに、逐次、受け取ったプログラムに従った処理を実行することとしてもよい。サーバコンピュータから、このコンピュータへのプログラムの転送は行わず、その実行指示と結果取得のみによって処理機能を実現する、いわゆるＡＳＰ（Application Service Provider）型のサービスによって、上述の処理を実行する構成としてもよい。

１〜４ 擬似力覚発生装置
１１〜４１ 電子機器
１２〜４２ 加速度発生装置
１３〜４３ 接続部材

Claims (8)

1. 電子機器と、
   所定の軸に沿った方向への加速度を発生させる加速度発生装置と、
   前記電子機器と前記加速度発生装置との間に配置され、前記加速度発生装置を前記電子機器に機械的に接続する接続部材と、を有し、
   前記加速度発生装置は、支持部と、当該支持部に対して前記所定の軸に沿った加速度運動を行う運動部材と、前記支持部側に一端が固定され、前記運動部材側に他端が固定された弾性体とを含み、
   前記接続部材は非剛体であり、前記支持部側に一端が固定され、前記電子機器側に他端が固定され、前記所定の軸の前記電子機器に対する相対的な方向を維持する、擬似力覚発生装置。
2. 請求項１の擬似力覚発生装置であって、
   前記接続部材は非導電性材料からなり、
   前記電子機器は、前記加速度発生装置を制御するための信号を無線送信する送信部を含み、
   前記加速度発生装置は、前記信号を受信する受信部を含む、擬似力覚発生装置。
3. 請求項１の擬似力覚発生装置であって、
   前記接続部材は透過材料を含み、
   前記電子機器は、前記加速度発生装置を制御するための光信号を出力する光信号送信部を含み、
   前記加速度発生装置は、前記光信号が入力される光信号受信部を含み、
   前記接続部材は、前記光信号送信部と前記光信号受信部との間に配置され、
   前記光信号送信部から出力された前記光信号は、前記接続部材を通過して、前記光信号受信部に入力される、擬似力覚発生装置。
4. 所定の軸に沿った方向への加速度を発生させる加速度発生装置と、
   前記加速度発生装置を外部の被接続体に機械的に接続する接続部材と、を有し、
   前記加速度発生装置は、支持部と、当該支持部に対して前記所定の軸に沿った加速度運動を行う運動部材と、前記支持部側に一端が固定され、前記運動部材側に他端が固定された弾性体とを含み、
   前記接続部材は非剛体であり、前記支持部側に一端が固定され、前記被接続体側に他端が固定され、前記所定の軸の前記被接続体に対する相対的な方向を維持する、擬似力覚発生装置。
5. 請求項４の擬似力覚発生装置であって、
   前記接続部材は非導電性材料からなり、
   前記加速度発生装置は、前記加速度発生装置を制御するための信号を受信する受信部を含む、擬似力覚発生装置。
6. 請求項４の擬似力覚発生装置であって、
   前記接続部材は透過材料を含み、
   前記加速度発生装置は、前記加速度発生装置を制御するための光信号が入力される光信号受信部を含み、
   前記光信号は、外部から前記接続部材を通過して、前記光信号受信部に入力可能である、擬似力覚発生装置。
7. 請求項１から６の何れかの擬似力覚発生装置であって、
   前記接続部材は衝撃吸収材である、擬似力覚発生装置。
8. 請求項１から７の何れかの擬似力覚発生装置であって、
   前記加速度発生装置は、前記所定の軸に沿った方向への周期的な加速度運動であって、かつ、前記所定の軸に沿った第１の方向への加速度と当該第１の方向とは反対の方向への加速度とが非対称であるような加速度運動を行うことで擬似的な力覚を提示する装置である、擬似力覚発生装置。

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