JPWO2014041923A1 - 力覚提示装置 - Google Patents

Abstract

小型の力覚提示ユニットを備える力覚提示装置を提供する。錘（１１）と、錘（１１）に固定される磁石（１２）と、磁石（１２）を所定方向に沿って往復運動させる磁場を発生させるコイル（１３）と、コイル（１３）に流れる電流を制御して錘（１１）を振動させることにより、ユーザーに力覚を提示する電流制御部（２２）と、を含む力覚提示装置である。

Description

本発明は、力覚提示装置に関する。

力覚提示装置は、当該装置を保持したり身につけたりしているユーザーに対して、所定の方向に力が加わっているような感覚を与えるために用いられる。例えばこのような力覚提示装置をゲーム機のコントローラーとして用いることにより、より臨場感のあるゲームを楽しむことができる。力覚提示装置は錘を内蔵しており、力覚を生じさせたい方向とその逆方向とで互いに移動速度が異なるようにこの錘を振動させることにより、ユーザーに力覚を提示することができる。

上記力覚提示装置において、錘を振動するための駆動機構としては電気モーターが使用されるが、このような駆動機構は装置の大型化を招く傾向がある。特に、錘を様々な方向に振動させて様々な方向への力覚を提示したい場合、複数の電気モーターが必要になり、より装置が大型化してしまう。

本発明は上記実情を考慮してなされたものであって、その目的の一つは、小型の力覚提示ユニットを備える力覚提示装置を提供することにある。

本発明に係る力覚提示装置は、錘と、前記錘に固定される磁石と、前記磁石を所定方向に沿って往復運動させる磁場を発生させるコイルと、前記コイルに流れる電流を制御して前記錘を振動させることにより、ユーザーに力覚を提示する電流制御部と、を含むことを特徴とする。

本発明の実施の形態に係る力覚提示装置の動作原理を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る力覚提示装置が内蔵する力覚提示ユニットの構成図である。 図２Ａの力覚提示ユニットのうち、錘を除いた他の構成要素を示す図である。 本発明の実施の形態に係る力覚提示装置の概略構成を示す図である。 力覚提示ユニットを制御するために入力される波形データの一例を示す図である。 図４に示す波形データが入力された場合における錘の移動方向を説明する図である。 図４に示す波形データが入力された場合における錘の軌道を説明する図である。 力覚提示ユニットの変形例を示す図である。 上下動機構の一例を示す図である。 上下動機構の別の例を示す図である。 軌道直線の方向を特定する角度ａ及びｂの説明図である。 ２個の力覚提示ユニットを内蔵する力覚提示装置の一例を示す図である。 本発明の別の実施の形態に係る力覚提示装置の概略構成を示す図である。 本発明のさらに別の実施の形態に係る力覚提示装置の概略構成を示す図である。 ヘッドマウントディスプレイに本発明を適用した場合の構成例を示す図である。 ヘッドマウントディスプレイに本発明を適用した場合の別の構成例を示す図である。 ヘッドマウントディスプレイに本発明を適用した場合のさらに別の構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。

まず、本発明の一実施形態に係る力覚提示装置１の動作原理について、図１を用いて説明する。本実施形態に係る力覚提示装置１に内蔵される力覚提示ユニットは、錘１１と、磁石１２と、コイル１３と、位置検出センサー１４と、を含んで構成されている。なお、図１では錘１１の図示は省略されている。

磁石１２は永久磁石であって、ある程度の重量を持った錘１１に固定されている。そのため、後述するように磁石１２が装置内で移動すると、これと一体になっている錘１１も同じように装置内を移動する。本実施形態では、磁石１２は所定の方向に沿って延伸する棒状の形をしており、一端がＳ極、他端がＮ極になっている。

コイル１３は、磁石１２を往復運動させるための磁場を発生させる。具体的に、コイル１３に流れる電流の向き及び大きさが変化すると、これに応じてコイル１３が発生させる磁場が変化する。この磁場の変化に応じて磁石１２が移動する。また、コイル１３に流れる電流の大きさを制御することによって、磁石１２の移動速度を制御することもできる。なお、図１において矢印により示されるように、磁石１２はその延伸方向と一致する向きに往復運動するように配置されている。

位置検出センサー１４は、磁石１２の位置を検出する。例えば位置検出センサー１４がホール素子の場合、磁石１２によって生じる磁界を検出することによって磁石１２の位置を検出する。この位置検出センサー１４の検出結果に応じてコイル１３に流す電流を変化させることによって、錘１１を精度よく振動させることができる。

錘１１を磁石１２の延伸方向に沿って一方に素早く移動させ、逆向きにゆっくり移動させる制御を繰り返すことによって、力覚提示装置１は、錘１１が素早く移動する方向に向かって当該装置に力が加わっているような感覚をユーザーに感じさせることができる。以下では、このユーザーが力を感じる向きを力覚発生方向という。

次に、本実施形態に係る力覚提示装置１が内蔵する力覚提示ユニット１０の構成について、図２Ａ及び図２Ｂを用いて説明する。本実施形態では、力覚提示ユニット１０は４個の磁石１２ａ〜１２ｄを備えており、これに対応して４個のコイル１３ａ〜１３ｄを備えている。また、この４個のコイル１３ａ〜１３ｄそれぞれの中心に位置検出センサー１４ａ〜１４ｄが配置されている。図２Ａは錘１１を含む力覚提示ユニット１０の全体構成を示しており、図２Ｂは錘１１以外の各構成要素の位置関係を示すために錘１１を除いた他の構成要素を示している。

４個の磁石１２ａ〜１２ｄは、いずれも同じ錘１１に固定されており、錘１１及び磁石１２ａ〜１２ｄは一体的に装置内を移動する。また、磁石１２ａ〜１２ｄはいずれも棒状の形をしており、その延伸方向が所定の平面に平行になるように配置されている。後述するように、錘１１はこの所定の平面に平行な向きで振動し、これにより力覚提示装置１はこの所定の平面内におけるいずれかの方向を力覚発生方向として力覚を提示する。以下、この錘１１の振動方向を含む平面を振動面という。各磁石１２は、振動面に平行な向きで錘１１の重心から放射状に伸びるように、錘１１の重心を中心とした円周に沿って互いに等間隔に配置されている。

コイル１３ａ〜１３ｄは、磁石１２ａ〜１２ｄと一対一で対応するように配置される。すなわち、各コイル１３は、対応する磁石１２の下方に配置され、対応する磁石１２を振動面内における一方向に沿って往復運動させる磁場を発生させる。ここで各磁石１２が対応するコイル１３によって往復運動する方向は、錘１１の重心に向かう方向（すなわち、当該磁石１２の延伸方向）に一致する。また、位置検出センサー１４ａ〜１４ｄは、それぞれ対応する磁石１２の位置を検出する。

力覚提示装置１は、コイル１３ａ〜１３ｄのそれぞれに流れる電流を同時に制御することによって、磁石１２ａ〜１２ｄをそれぞれの延伸方向に沿って任意の速度で移動させる。このとき錘１１は、各磁石１２の移動ベクトルを合成して得られる合成ベクトルが示す方向に沿って移動することになる。そのため力覚提示装置１は、２以上の磁石１２を振動面内において互いに異なる方向に沿って往復運動させることによって、錘１１を振動面に平行な向きで３６０度任意の方向に振動させることができる。これにより力覚提示装置１は、振動面内のいずれの方向であっても力覚提示方向とすることができる。

次に、本実施形態に係る力覚提示装置１の概略構成を、図３を用いて説明する。ここでは力覚提示装置１は、家庭用ゲーム機のコントローラーであるものとする。力覚提示装置１の筐体は、左右に把持部２１Ｒ及び２１Ｌを備えており、ユーザーはこの把持部２１Ｒ及び２１Ｌを両手で把持して力覚提示装置１を使用する。この把持部２１Ｒと把持部２１Ｌとの間の筐体略中央に、図２Ａに示したような力覚提示ユニット１０が配置されている。

力覚提示装置１の筐体内には、電流制御部２２が配置されており、力覚提示ユニット１０はこの電流制御部２２の制御によって動作する。具体的に電流制御部２２は、外部の家庭用ゲーム機から受信した制御命令に応じて、コイル１３ａ〜１３ｄのそれぞれに流れる電流を制御し、錘１１を制御命令によって示される力覚発生方向に沿って振動させる。これにより、力覚提示装置１を両手で把持しているユーザーに、力覚発生方向に向かって力が加わっているかのような感覚を感じさせることができる。

ここで、電流制御部２２に対して与えられる制御命令の具体例について、説明する。前述の通り、力覚提示ユニット１０による力覚提示動作は、静止時における錘１１の重心を通る軌道直線に沿って錘１１が往復運動することで実現される。この往復運動中における錘１１の位置を示す波形と、軌道直線の基準方向（０度方向）に対する傾きを表す角度ａによって、錘１１の運動の詳細が定義される。錘１１の位置を示す波形を定義する波形データを位置波形データという。また、角度ａを定義する波形データを角度波形データという。これらの波形データは、例えばｗａｖ形式（RIFF waveform Audio Format形式）のデータファイルで与えられる。これらの波形データを含む制御命令を電流制御部２２に入力することによって、力覚提示ユニット１０に任意の向きや強度で力覚提示を行わせることができる。なお、角度ａについては、角度波形データの代わりに角度値（０度〜３６０度までのいずれかの数値）を直接電流制御部２２に入力してもよい。

図４は、位置波形データ及び角度波形データの具体例を示している。また、図５は図４に示す波形データを入力した場合における、ｔ１〜ｔ５までの各タイミングにおける錘１１の移動方向を示している。さらに図６は、ｔ１〜ｔ５までの間における錘１１の軌道を示している。

以上説明した本実施の形態に係る力覚提示装置１によれば、錘１１が磁石１２と一体的に構成され、コイル１３が直接磁石１２を往復運動させることによってユーザーに力覚を提示するので、電気モーターによる回転運動を直線運動に変換する従来の力覚提示装置と比較して、力覚提示ユニット１０を薄型化、小型化できる。特に本実施形態に係る力覚提示装置１によれば、互いに異なる方向に沿って往復運動するように配置された２つ以上の磁石１２を備えることにより、力覚提示ユニット１０の厚みを抑えながら、３６０度いずれの方向にも力覚を提示することができる。

なお、本発明の実施の形態は以上説明したものに限られない。例えば以上の説明では力覚提示ユニット１０は４個の磁石１２と４個のコイル１３によって構成されることとしたが、磁石１２及びコイル１３の数はこれに限られない。図７は、力覚提示ユニット１０の変形例を示す図であって、この図７に係る力覚提示ユニット１０は、３個の磁石１２ｅ〜１２ｇ、３個のコイル１３ｅ〜１３ｇ、及び３個の位置検出センサー１４ｅ〜１４ｇを含んで構成されている。なお、図２Ｂと同様に図７においても錘１１の図示は省略されているが、実際には３個の磁石１２ｅ〜１２ｇは同じ錘１１に固定されている。ここで３個の磁石１２ｅ〜１２ｇはいずれも棒状の形状をしており、振動面内において錘１１の重心から放射状に伸びるように、錘１１の重心を中心とした円周に沿って互いに等間隔に配置されている。この図の例においても、３個のコイル１３ｅ〜１３ｇのそれぞれに流れる電流を同時期に制御することによって、力学提示装置１は錘１１を振動面内において任意の方向に振動させることができる。

また、以上の説明では錘１１は振動面内だけで移動するものとしたが、力覚提示装置１は錘１１を振動面に直交する方向に沿って往復運動させる機構をさらに備えてもよい。以下、力覚提示ユニット１０の振動面に直交する方向を直交方向といい、直交方向に沿って錘１１を移動させる機構を上下動機構２４という。この上下動機構２４は、錘１１だけでなく、図２Ａに示す力覚提示ユニット１０の全体を直交方向に沿って移動させるものとする。

図８は、このような上下動機構２４の一例を模式的に示す図である。この図の例では、力覚提示ユニット１０を取り囲むように、直交方向に沿って延伸するリニアガイド２５が設けられている。このリニアガイド２５によって、力覚提示ユニット１０全体の移動方向は直交方向に規制される。さらに図８の例では、磁石２４ａ、コイル２４ｂ、及び位置検出センサー２４ｃから構成される上下動機構２４が力覚提示装置１内に配置されている。磁石２４ａ、コイル２４ｂ及び位置検出センサー２４ｃは、力覚提示ユニット１０内において錘１１を移動させるために用いられる磁石１２、コイル１３、及び位置検出センサー１４と同様の動作原理により、力覚提示ユニット１０全体を直交方向に沿って移動させる。すなわち、磁石２４ａは直交方向に沿った向きで力覚提示ユニット１０の側面に固定されており、コイル２４ｂが発生させる磁場によって直交方向に沿って移動する。これにより力覚提示装置１は、力覚提示ユニット１０全体を直交方向に沿って往復運動させて、直交方向に沿った向きの力覚をユーザーに提示することができる。

図９は、上下動機構２４の別の例を示す図である。この図の例でも、図８と同様に力覚提示ユニット１０を取り囲むようにリニアガイド２５が配置されている。また、上下動機構２４として、モーター２４ｄ、歯車２４ｅ、及びラック２４ｆが配置されている。歯車２４ｅはモーター２４ｄの回転軸に取り付けられており、モーター２４ｄの回転に伴って回転する。ラック２４ｆは、図８の例における磁石２４ａと同様に直交方向に沿った向きで力覚提示ユニット１０の側面に固定されている。歯車２４ｅとラック２４ｆは互いにかみ合うように配置されており、ラック２４ｆは歯車２４ｅの回転により直交方向に沿って直線的に移動する。これにより力覚提示装置１は、モーター２４ｄを回転させることによって、力覚提示ユニット１０全体を直交方向に沿って往復運動させることができる。

このような上下動機構２４を備え、振動面内における移動と組み合わせて錘１１の移動を制御することによって、力覚提示装置１は、錘１１を振動面内に限らず３次元内の任意の方向に移動させることができる。３次元内における錘１１の位置を指定する場合、振動面内の方向を表す角度ａに加えて、基準面に対する軌道直線の傾きを表す角度ｂの情報を電流制御部２２に入力する必要がある。この角度ｂは、基準面に対する錘１１の軌道直線の傾き（すなわち、仰角又は俯角）を表すパラメータである。角度ｂは、角度ａと同様に、角度波形データとして電流制御部２２に入力されてもよいし、角度の数値データとして電流制御部２２に入力されてもよい。図１０は角度ａと角度ｂの関係を示している。

また、力覚提示装置１は複数の力覚提示ユニット１０を備えてもよい。図１１は、図３と同様の形状を備える筐体内に２個の力覚提示ユニット１０ａ及び１０ｂを配置した場合の構成を示している。同図では、筐体の向かって右側に力覚提示ユニット１０ａが、左側に力覚提示ユニット１０ｂが、それぞれ配置されている。これらの力覚提示ユニット１０が同じ力覚発生方向に向かって力覚を提示すれば、当該力覚発生方向に向かって力覚提示装置１を平行に移動させようとする力が加わっている感覚をユーザーに感じさせることができる。また、これらの力覚提示ユニット１０が互いに逆向き（例えば力覚提示ユニット１０ａが上側、力覚提示ユニット１０ｂが下側）に力覚を提示することで、力覚提示装置１を回転させようとする力が加わっている感覚をユーザーに感じさせることができる。

図１２及び図１３は力覚提示装置１の形状の別の例を示している。これらの例では、力覚提示装置１は全体として棒状の形状を備えており、その中央近傍の把持部２３をユーザーが把持して使用するようにデザインされている。また、図１２及び図１３のいずれにおいても、力覚提示ユニット１０は振動面が力覚提示装置１の延伸方向と交差するように筐体内に配置されている。図１２の例では、把持部２３に近い位置に力覚提示ユニット１０が配置されており、この力覚提示ユニット１０が力覚を提示することにより、力覚提示装置１全体を平行に移動させようとする力が加わっている感覚をユーザーに感じさせることができる。また、図１３の例では、把持部２３から離れた力覚提示装置１の端部近傍に力覚提示ユニット１０が配置されており、ユーザーが把持部２３を把持した状態でこの力覚提示ユニット１０が力覚を提示することにより、把持部２３を支点として力覚提示装置１を回転させようとする力が加わっている感覚をユーザーに感じさせることができる。

また、以上の説明において力覚提示装置１は家庭用ゲーム機のコントローラーであるものとしたが、本発明の実施の形態に係る力覚提示装置はこれに限らず、例えば携帯型ゲーム機やスマートフォンなど、ユーザーが手で把持して使用する各種のデバイスであってよい。あるいは、力覚提示装置１は、例えばヘッドマウントディスプレイなど、ユーザーが自分の体に接触させて使用するデバイスであってもよい。以下、本発明をユーザーが頭に装着して使用するヘッドマウントディスプレイに適用した場合の構成例について、説明する。

図１４及び図１５は、いずれもヘッドマウントディスプレイである力覚提示装置１をユーザーが装着した様子を示している。図１４の例では、力覚提示ユニット１０はその振動面が水平面に平行になるような向きで装置の略中央（ユーザーの額の前方）に配置されている。この図の例では、ユーザーから見て例えばヘッドマウントディスプレイの前後方向や左右方向に力が加わっている感覚をユーザーに感じさせることができる。図１５は、図１４と異なる向きに力覚提示ユニット１０を配置した場合の例を示している。この図の例では、力覚提示ユニット１０の配置位置は図１４の場合と同じだが、振動面が水平面と直交するような向きで装置内に配置されている。そのため、ユーザーから見て例えば上下方向や左右方向に力が加わっている感覚をユーザーに感じさせることができる。

図１６は、ヘッドマウントディスプレイとしての力覚提示装置１に２個の力覚提示ユニット１０ｃ及び１０ｄを配置した場合の例を示している。図１６では、ヘッドマウントディスプレイを装着するユーザーから見て右側（右耳の近傍）に力覚提示ユニット１０ｃが、左側（左耳の近傍）に力覚提示ユニット１０ｄが、いずれもその振動面が水平面と直交するような向きで配置されている。また、２個の力覚提示ユニット１０の振動面は互いに平行になっている。ここで、２個の力覚提示ユニット１０ｃ及び１０ｄが同じ力覚発生方向に向かって力覚を提示すれば、当該力覚発生方向に向かって力覚提示装置１を平行に移動させようとする力が加わっている感覚をユーザーに感じさせることができる。また、これらの力覚提示ユニット１０が互いに逆向きに力覚を提示することで、力覚提示装置１を回転させようとする力が加わっている感覚をユーザーに感じさせることができる。具体例として、図中に実線の矢印で示すように、力覚提示ユニット１０ｃが鉛直上方に向けて力覚を提示し、力覚提示ユニット１０ｄが鉛直下方に向けて力覚を提示した場合、実線のブロック矢印で示すように、ユーザーを正面から見て時計回りに回転させようとする力が加わっている感覚をユーザーに感じさせることができる。また、図中に破線の矢印で示すように、力覚提示ユニット１０ｃがユーザーの前方に向けて力覚を提示し、力覚提示ユニット１０ｄがユーザーの後方に向けて力覚を提示した場合、破線のブロック矢印で示すように、ユーザーを上方から見て反時計回りに回転させようとする（ユーザーを左向きに回転させようとする）力が加わっている感覚をユーザーに感じさせることができる。

Claims (4)

1. 錘と、
   前記錘に固定される磁石と、
   前記磁石を所定方向に沿って往復運動させる磁場を発生させるコイルと、
   前記コイルに流れる電流を制御して前記錘を振動させることにより、ユーザーに力覚を提示する電流制御部と、
   を含むことを特徴とする力覚提示装置。
2. 請求項１に記載の力覚提示装置において、
   それぞれ前記錘に固定される複数の磁石と、
   前記複数の磁石のそれぞれに対応し、対応する磁石を所定の平面内における一方向に沿って往復運動させる磁場を発生させる複数のコイルと、
   を含み、
   前記電流制御部は、前記複数のコイルのそれぞれに流れる電流を制御して、前記錘を前記所定の平面内におけるいずれかの方向に沿って振動させることにより、ユーザーに力覚を提示する
   ことを特徴とする力覚提示装置。
3. 請求項２に記載の力覚提示装置において、
   前記複数のコイルのそれぞれは、対応する磁石を前記所定の平面内において前記錘の重心に向かう方向に沿って往復運動させる磁場を発生させ、
   前記複数の磁石は、前記錘の重心を中心とする円周に沿って互いに等間隔に配置される
   ことを特徴とする力覚提示装置。
4. 請求項２に記載の力覚提示装置において、
   前記錘を前記所定の平面に直交する方向に沿って往復運動させる機構をさらに含む
   ことを特徴とする力覚提示装置。

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