WO2005050427A1

WO2005050427A1 - 触力覚情報提示システムおよび方法

Info

Publication number: WO2005050427A1
Application number: PCT/JP2004/017277
Authority: WO
Inventors: Norio Nakamura; Yukio Fukui; Masataka Sakai
Original assignee: National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2004-11-19
Publication date: 2005-06-02
Also published as: CA2547961A1; US20130265148A1; US9171437B2; GB0609812D0; US9041520B2; US20170031443A1; KR101169814B1; US20110050404A1; US20150253854A1; US9495804B2; US20130265254A1; US20190129506A1; KR20120055722A; US20130265149A1; KR20060131787A; KR101361291B1; US20150371510A1; US11287888B2; CA2547961C; JP4111278B2

Abstract

　人に仮想物体の存在や衝突の衝撃力を与える従来の非接地型で身体内にベースがないマンマシンインタフェースにおいて、触力覚感覚提示機の物理的特性だけでは提示し得ない、同一方向にトルクおよび力などの触力覚感覚を連続的に提示できるシステムおよび方法を実現する。触力覚提示機１１２は、制御装置１１１により、触力覚提示機１１２中の１個以上からなる回転子の回転速度が制御され、その物理特性である振動、力、トルクが制御されることによって、ユーザ１１０にその振動、力、トルクなどの様々な触力覚情報を知覚させる。この触力覚情報提示システムは、人間の感覚特性、もしくは錯覚を利用して適切に物理量を制御することにより、物理的には存在し得ない力、もしくは触力覚的感覚物理特性を人に体感させる。

Description

明細書

触カ覚情報提示システムおよび方法

技術分野

[0001] 本発明は、感覚特性を利用した触カ覚情報提示システムおよび方法に関するものである。

[0002] さらに詳述すると本発明は、 VR (Virtual Reality)の分野において用いられる機器，ゲームの分野において用いられる機器，携帯電話機，携帯型ナビゲーシヨン機器， P DA (携帯情報端末)などに搭載されるマンマシンインタフェースを提供するための触カ覚情報提示システム、触カ覚情報提示方法、触カ覚情報提示システムの触カ覚提示機、および触カ覚情報提示システムの制御装置に関するものである。

背景技術

[0003] 従来の VRにおけるカ覚提示機としては、張力もしくは反力のカ覚提示において、人間の感覚器官に接したカ覚提示部とカ覚提示システム本体とがワイヤーあるいはアームでつながっており、これらワイヤ一.アームなどの存在が人間の動きを拘束するという不都合がみられた。また、カ覚提示システム本体とカ覚提示部がワイヤーゃァームでつながる有効空間でし力使用できないことに起因して、使用できる空間的広がりに制限があった。

[0004] これに対して、非接地型で身体内にベースがないマンマシンインタフェースが提案された。しかし、この種の提示機ではモータの回転速度 (角速度）を制御することにより角運動量ベクトルの時間的な変化でトルクを提示しており、同一方向にトルク、および力などの触カ覚情報を連続的に提示することは困難であった。

[0005] 非接地型のカ覚情報提示機としては、ジャイロモーメントとジンノレ構造を用いたトルク提示装置が開発されている (非特許文献 1)。しかし、ジンバル構造では提示できるトルク方向が制限されており、また、構造が複雑になり制御が煩雑となるという問題点も有している。

[0006] 一方、 3軸直交座標に配置された 3つのジャイロモータの回転を独立に制御することで任意の方向、乃至任意の大きさでトルクを提示することができる非接地可搬型のカ覚情報提示機 (非特許文献 2)が提案されている。このカ覚情報提示機では、 3つのジャイロモータによって発生された角運動量合成ベクトルを制御することでトルクを発生させているので、構造が比較的簡単であり、制御も容易である。しかし、触カ覚情報を連続的に提示可能にすること、および、トルク以外の力感覚を提示可能にすることが解決すべき点となって、る。

[0007] 非特許文献 1 :吉江将之，矢野博明，岩田洋夫「ジャイロモーメントを用いた非接地型カ覚提示装置の開発」、ヒューマンインタフェース学会研究報告集、 vol.3, Νο.δ,ρρ. 25-30 (2000)

非特許文献 2 :田中洋吉，酒井勝隆，河野優香，福井幸男，山下榭里，中村則雄 " Mobile Torque Display and Haptic characteristics of Human Palm ,

INTERNATIONAL CONFERENCE ON ARTIFICIAL REALITY AND TELEXISTENCE, pp.115- 120 (2001/12)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] 上述の点に鑑み、本発明の第 1の目的は、人に仮想物体の存在や衝突の衝撃力を与える従来の非接地型で身体内にベースがないマンマシンインタフェースにおいて、人間の感覚特性を利用した触カ覚情報提示機構を実現することで、触カ覚提示機の物理的特性だけでは提示し得な、、同一方向に振動 ·トルク '力などの触カ覚情報を連続的に提示できる触カ覚情報提示システムおよび方法を提供することにある。

[0009] また、上記マンマシンインタフェースで連続的に物理量を提示し続ける時、提示機の性能が十分に大きければ、連続して同一方向にトルク、乃至力などの物理量を提示し続けることができる。しかし、現実的には提示機の性能は無限大ではなぐ提示機の性能が十分でない場合は、例えば、連続的にトルクを提示し続ける時、提示の 1 サイクルの中で回転子の回転速度を初期状態に戻す必要が出てくる。つまり、回転子の角運動量ベクトルの積分値をゼロにすることが求められる。この場合、正反対のトルクまたは力を提示することになり、正方向と負方向の感覚が互いに打ち消し合うという問題が生じる。 [0010] よって、本発明の第 2の目的は、人間の感覚特性を利用して、触カ覚提示機の動作において、たとえ物理的に 1サイクルで初期状態に戻り、物理的な積分値がゼロになったとしても、感覚量の感覚的積分値がゼロにはならず、任意の方向に自在に感覚を提示し続けることのできる触カ覚情報提示システムおよび方法を提供すること〖こある。

課題を解決するための手段

[0011] 上記の目的を達成するために、本発明に係る第 1の形態は、 2つの偏心回転子を有する触カ覚提示手段と、前記 2つの偏心回転子における回転方向と位相関係と回転速度とを制御することにより、振動および Zまたは振動感覚の周波数と強度を独立して変化させる制御手段とを備えた触カ覚情報提示システムである。

[0012] 本発明に係る第 2の形態は、 2つの偏心回転子を有する触カ覚提示手段と、前記 2 つの偏心回転子における回転方向を反転させることにより、力および zまたはカ感覚の周波数と強度を独立して変化させる制御手段とを備えた触カ覚情報提示システムである。

[0013] 本発明に係る第 3の形態は、単一の偏心回転子、および Zまたは 2つの偏心回転子からなるツイン偏心回転子、および Zまたは 3次元空間上に配置されたツイン偏心回転子を、 2次元的または 3次元的に複数個配置した偏心回転子アレイを有する触カ覚提示手段と、前記触カ覚提示手段に含まれている各偏心回転子の回転状態を制御する制御手段とを備えた触カ覚情報提示システムである。

[0014] 本発明に係る第 4の形態は、 3次元的に複数個配置した回転子を有する触カ覚提示手段と、前記触カ覚提示手段の合成角運動量ベクトルの時間変化を制御するための制御手段を備えた触カ覚情報提示システムであって、前記制御手段は、前記合成角運動量ベクトルをゼロの近傍で急激に変化させることにより既定値のトルクを発生させると共に、プリセッショントルクを所定値以下に制御する触カ覚情報提示システムである。

[0015] 本発明に係る第 5の形態は、 2つの偏心回転子を有する触カ覚提示手段を制御するに際して、前記 2つの偏心回転子における回転方向と位相関係と回転速度とを制御することにより、振動および Zまたは振動感覚の周波数と強度を独立して変化させる触カ覚情報提示方法である。

[0016] 本発明に係る第 6の形態は、 2つの偏心回転子を有する触カ覚提示手段を制御するに際して、前記 2つの偏心回転子における回転方向を反転させることにより、力および Zまたは力感覚の周波数と強度を独立して変化させる触カ覚情報提示方法である。

[0017] 本発明に係る第 7の形態は、単一の偏心回転子、および Zまたは同一の回転軸上に配設された 2つの偏心回転子力なるツイン偏心回転子、および Zまたは 3次元空間上に配置されたツイン偏心回転子を、 2次元的または 3次元的に複数個配置した偏心回転子アレイを有する触カ覚提示手段を制御するに際して、前記触カ覚提示手段に含まれている各偏心回転子の回転状態を個別に制御する触カ覚情報提示方法である。

[0018] 本発明に係る第 8の形態は、 3次元的に複数個配置した回転子を有する触カ覚提示手段を制御するに際して、前記触カ覚提示手段の合成角運動量ベクトルの時間変化を制御する触カ覚情報提示方法であって、前記合成角運動量ベクトルをゼロの近傍で急激に変化させることにより既定値のトルクを発生させると共に、プリセッショントルクを所定値以下に制御する触カ覚情報提示方法である。

発明の効果

[0019] 本発明に係る触カ覚情報提示システムおよび触カ覚情報提示方法を実施することにより、以下に列挙する格別な効果を得ることができる。

[0020] (1)非接地型で身体内にベースがないマンマシンインタフェースでは従来困難だつた、トルクおよび力などの触カ覚情報を同一方向に連続的または断続的

に提示することが可能になる。

[0021] (2)人間の感覚特性および錯覚を利用することにより、物理的には存在し得ないトルクあるいは力などの触カ覚的感覚物理特性を人に提示することが可能になる。

[0022] (3)人間の感覚特性を利用することにより触カ覚情報を省エネルギーで効率良く提示することが可能となり、小型化した触カ覚提示システムを実現することができる。

[0023] (4)振動感覚，トルク感覚，力感覚を提示するために、従来はそれぞれに対応した装置が必要であつたが、本発明によれば、偏心回転子という 1つの機構で振動感覚 ,トルク感覚，力感覚のいずれか 1つ以上を同時に提示することが可能となり、多様な触カ覚情報を提示することができ、且つ、その提示システムを小型化することができる。

[0024] (5)本発明を実施することにより、 VR (Virtual Reality)の分野において用いられる機器，ゲームの分野において用いられる機器，携帯電話機，携帯型ナビゲーシヨン機器， PDA (携帯情報端末)などに搭載され得る、有用なマンマシンインタフェース' ロボットとマシンとの間のインタフェース '動物とマシンとの間のインタフェース等を実現することができる。例えば VRの分野においては、上記マンマシンインタフェースを介して人に力を提示したり、抗カあるいは反力などを与えて人の動きを制限することにより、仮想空間における物体の存在や衝突による衝撃を提示することができる。また、携帯電話機，携帯型ナビゲーシヨン機器， PDAなどに上記インタフェースを搭載することにより、操作者の皮膚を介して、従来には見られな力つた各種多様な指示' 案内等を実現することができる。

[0025] (6)従来から知られて!/、る携帯電話のマナーモードなどで用いられて、る偏心回転子は、回転速度を増加させることで振動強度を増加させており、振動周波数と振動強度を独立に制御することはできな力たが、本発明を適用した偏心回転子では、回転速度を変化させることなしに、偏心振動の振動強度を変化させることができる。これによって、振動周波数と振動強度を独立に制御することが可能になる。

[0026] (7)本発明を適用したシート状偏心回転子アレイによれば、それぞれの偏心回転子の回転を適切に制御することで掌上に空間 ·時間的に様々なパターンの、振動感覚、トルク感覚、力感覚を提示することができる。また、シート状偏心回転子アレイは、手袋もしくは衣類もしくはその他ウェアラブルな形態を有するものに応用することができる。

[0027] (8)本発明を適用したシート状偏心回転子アレイによれば、掌などの動きに合わせて力感覚の空間部分を適切に変化させることにより、仮想的な物体の存在、形状、弾性、テクスチャーなどの物体に関する様々な触カ覚情報を提示することができる。

[0028] (9)慣性座標系にお、て、合成角運動量ベクトルの時間変化を制御する場合、その制御の容易さは大きな利点となる。すなわち、合成角運動量ベクトルをゼロの近傍で急激に変化させることによって、大きなトルクを発生させながらも、プリセッション'トルクを小さく抑え込むことが可能になる。また、ユーザの動きに伴ってトルク提示機が揺れて困る場合には、適度な大きさの合成角運動量ベクトルの近傍で合成角運動量ベクトルを時間変化させることにより、トルク提示機の揺れを抑えながら所定のトルクを提示することが可能となる。

発明を実施するための最良の形態

[0029] 以下、本発明による実施の形態を図面に基づいて説明する。

[0030] (動作原理 1)

図 1は、本発明の一実施形態における触カ覚情報提示システムの概略構成を示す図である。

[0031] 触カ覚提示機 112は、制御装置 111を用いて、触カ覚提示機 112中の 1個以上からなる回転子の回転速度が制御され、その物理特性である振動、力、トルクが制御されることによって、ユーザ 110にその振動、力、トルクなどの様々な触カ覚情報を知覚させる。

[0032] 上述の図 1と合わせて、以下では図 2— 40を参照し本実施形態の触カ覚情報提示システムを説明するが、それに先立ち、図面として最後に添付されている図 41の本実施形態の触カ覚情報提示システムのブロック図を参照して、そのシステムのブロック構成の概要を説明する。

[0033] 図 41において、触カ覚情報提示システム 4101は、触カ覚提示機 4110、制御装置 4120及び入力装置 4130から構成される。触カ覚提示機 4110は、中にモータによって回転される 1個以上の回転子 4180を有し、制御装置 4120からの制御によつて回転する。回転子 4180の駆動には、ステッピングモータやサーボモータ等を適用可能である。制御装置 4120は、 CPU (central processing unit) 4160、 RAM ( random access memory) 4170、 ROM (read only memory) 4140等を有する。

[0034] CPU4160は、制御装置 4120の動作全体を司る。 RAM4170は、 CPU4160力 S 処理を行う際の処理対象のデータ等を一時記憶するワークエリアとして使用される。 ROM4140は、制御プログラム 4150が予め格納されている。制御プログラム 4150 は、入力装置 4130からの入力信号対応した触カ覚提示機 4110の制御処理を規定したプログラムである。 CPU4160は、 ROM4140から制御プログラム 4150を読み出し実行すること〖こより、各入力信号に対応して触力覚提示機 4110の回転子 4180の制御を行う。

[0035] 入力装置 4130は、例えば、入カメ-ユーのセレクトボタン等である。 CPU4160は、押下若しくはタツチ等によって選択されたセレクトボタンの入力に対応した処理 (例えば、所定の回転の向きのトルクが発生するように触力覚提示機 4110を制御）を行う。このような入力装置 4130は、制御装置 4120と一体ィ匕した制御装置 4120の一部としてちよい。

[0036] 或いは、入力装置 4130は、後述される筋電を検知するための周知の筋電検知器や周知の角加速度センサ等のデバイスである。 CPU4160は、筋電検知器からの筋電発生のトリガ信号や角加速度センサからの角加速度の信号が制御装置 4120へ入力されると、その入力をフィードバッグした触カ覚提示機 4110の制御を行う。角加速度センサのような入力装置 4130は、触カ覚提示機 4110と共に触カ覚提示機 4110 内部に含まれる構成としてもょヽ。

[0037] CPU4160が ROM4140から制御プログラム 4150を読み出し実行することにより、各入力信号に対応して触カ覚提示機 4110の回転子 4180の制御を行う一般的な処理方法については、当業者においては非特許文献 1、 2及びその他によって周知なため、詳述は要しないであろう。従って以下では、本実施形態に特徴的な、触カ覚情報提示システムにおける制御装置の処理方式及び触カ覚提示機の構造について説明する。

[0038] 図 2および図 3は、カ覚に関する感覚特性を用いた、触カ覚情報提示システムの制御装置によって触カ覚提示機を制御する、触カ覚情報提示方法を示す図である。

[0039] 感覚特性 211は主に刺激である物理量 212に対してその感覚量 213は対数などの非線形特性である場合が多い。図 2— 1は感覚特性 211が対数関数的な特性の場合を模式ィ匕したものである。この感覚特性 211上の、動作点 A214で正のトルクを発生し、動作点 B215で逆方向の負のトルクを発生した場合を考えると、トルク感覚 224は図 2— 2のように表わされる。トルク 223は回転子の回転速度 (角速度） 222の時間微分に比例する。動作点 A214、および動作点 B215で動作させると、トルク感覚 224 が知覚される。トルク 223は、物理的に 1サイクルで初期状態 228に戻り、その積分値はゼロとなっている。しかし、感覚量であるトルク感覚 224の感覚的積分値はゼロになるとは限らない。動作点 A214および動作点 B215を適切に選択して、動作点 A継続時間 225および動作点 B継続時間 226を適切に設定することで、任意の方向に自在にトルク感覚を提示し続けることができる。

[0040] 以上のことは、感覚特性 211が指数関数的な場合などの非線形特性を示す時にも成立する。

[0041] 図 3に示した（図 3—1)は、感覚特性 231が閾値を持つ場合を模式ィ匕したものである。この感覚特性 231上の、動作点 A234で正のトルクを発生し、動作点 B235で逆方向の負のトルクを発生した場合を考えると、トルク感覚 244は（図 3— 2)のように表わされる。

[0042] 上記の（図 2— 1)および（図 2— 2)で示された感覚特性が非線形であった場合と同じように、トルク 243は、物理的に 1サイクルで初期状態 248に戻り、その積分値はゼロとなっている。しかし、感覚量であるトルク感覚 244は、動作点 B継続時間 246の区間で感覚閾値以下なのでゼロとなる。その結果、片方の方向のみにトルク感覚を間欠的に提示し続けることができる。

[0043] 図 4中の（図 4 1)一（図 4 3)は、カ覚に関するヒステリシス的感覚特性を用いた触カ覚情報提示方法を示す図である。

[0044] 感覚特性は、筋肉を伸ばす時と縮める時など、変位 312が増加する時と減少する時において等方的でなぐヒステリシス的感覚特性 311を示す場合が多い。（図 4 1) のヒステリシス的感覚特性 311は感覚特性のヒステリシス的な特性を模式ィ匕したものである。このヒステリシス的感覚特性 311上の、動作経路 A314で正のトルクを発生し、動作経路 B315で逆方向の負のトルクを発生した場合を考えると、これらの挙動は（図 4 2)のように表わされ、トルク感覚 334は（図 4—3)のように表わされる。トルク 333 は回転子の回転速度 332の時間微分に比例する。動作経路 A314、および動作経路 B315で動作させると、トルク感覚 334が知覚される。トルク 333は、物理的に 1サイクルで初期状態 338に戻り、その積分値はゼロとなっている。しかし、感覚量であるトルク感覚 334の感覚的積分値はゼロになるとは限らない。動作経路 A314および動作経路 B315を適切に選択して、動作経路 A継続時間 335および動作経路 B継続時間 336を適切に設定することで、任意の方向に強いトルク感覚を断続的に連続して提示し続けることができる。

[0045] 図 5および図 6は、感覚特性を変化させる方法の一例として、カ覚に関するマスキング効果によって感覚特性を変化させる方法を用いた触カ覚情報提示方法を示す図である。

[0046] 感覚特性は、マスキング振動によってマスキングされトルク感覚 434が減少する。このマスキング方法として、（視覚、聴覚のマスキングで実績のある）同時マスキング 42 4、前方マスキング 425、後方マスキング 426があげられる。図 5の（図 5—1)はマスキ一であるトルク 413を模式ィ匕したものであり、この時知覚されるトルク感覚 434は（図 5 —3)のように表わされる。トルク 413は回転子の回転速度 412の時間微分に比例する

[0047] この時、回転子の回転速度 412を初期化する初期化時間 415と、それに対応したマスキング «続時間 425を、図 6に示した（図 6—1)の初期化時間 445とマスキング « 続時間 455のように短縮していき、ある一定時間よりも短くなると初期化による負のトルクが物理的に存在するにも関わらず、トルク感覚 464のようにトルクが連続して提示されて、るように感じられる臨界融合が生じる。

[0048] なお、マスキング振動を発生するマスカ一は、それによつてトルクがマスクされるマスキーである回転子と別な回転子であっても、マスキーである回転子自身であってもよい。マスキーの回転子がマスカ一でもある場合とは、マスキング時にその回転子が制御装置によってマスキング振動を発生するように制御されることを意味する。マスカ一の振動方向は、マスキーの回転子の回転方向と同一であっても、あるいは同一でなくてもよい。

[0049] 以上のことは、マスキーとマスカ一が同一の刺激の場合（マスキーの回転子がマスカーでもある場合）にも起こり得る。図 7は、この場合を模式ィ匕した図である。図 7に示すよう【こ、強卜ノレク感覚 485、 486の前後【こお!ヽて、前方マスキング 485、後方マスキング 486によりトルク感覚 484が減少する。

[0050] 図 8は、カ覚に関する感覚特性の変化に合わせて触カ覚情報提示を制御する方法を用いた触カ覚情報提示方法を示す図である。

[0051] 感覚特性は、筋肉の緊張状態、あるいは、身体的 '生理的'心理的状態のいずれ力 1つ以上の状態によりトルク感覚 517の感度が変化する。例えば、筋肉が外力である提示トルク 514 (短、時間で強!、トルク 524)で瞬時に伸ばされることで、筋肉の中の筋紡錘と、うセンサがこれを感知し、この外力に負けな、パワーを持つ筋肉起因トルク 515 (筋肉反射起因トルク 525)で条件反射的に筋肉が素早く収縮する。このとき筋電 511が発生する。それを検知した制御回路 512は触カ覚提示機 513を制御して、筋肉の収縮に同期して提示トルク 516 (穏やかに中程度のトルク 526)を働かせることでトルク感覚 517の感度を変化させる。

[0052] 以上のことは、筋肉の緊張状態だけに限らず、呼吸 ·姿勢 '神経発火の状態のいずれカ 1つ以上の状態による感覚感度の変化の場合にも成立する。

[0053] 図 9は、カ覚に関する掌の方向に対する提示物理量と感覚量との関係によって提示物理量を補正する方法を用いた触カ覚情報提示方法を示す。掌は、その骨格'関節 '腱'筋肉などの解剖学的な構造から、掌の方向によって感度が異なる。掌の方向に依存した感度 (不等方性感度曲線 611)に合わせて提示物理量の強度（回転速度 ω 612)を補正することによって、精度良、方向提示が可能となる。

[0054] 図 10は、本実施形態の触カ覚提示機中の回転子に適用可能な偏心回転子の説明図で、カ覚に関する感覚特性を用い、偏心回転子 711の回転を（図 10— 2のように )位相同期させた触カ覚情報提示方法を示す図である。

[0055] 図 10中の（図 10-3)は、感覚特性 731が対数関数的な特性の場合を模式ィ匕したものであり、感覚特性 731は感覚特性 211と同様に刺激である物理量 732に対してその感覚量 733が対数などの非線形特性であることを示している。この感覚特性 731 上の、動作点 Α734で正のトルクを発生し (偏心回転子 711の偏心により振動も発生 )、動作点 Β735で逆方向の負のトルクを発生した場合を考えると、トルク感覚 744は図 10— 4のように表わされる。トルク 743は回転子の回転速度 742の時間微分に比例する。動作点 Α734、および動作点 Β735で動作させると、トルク感覚 744が知覚される。トルク 743は、物理的に 1サイクルで初期状態 748に戻り、その積分値はゼロとなつている。しかし、感覚量であるトルク感覚 744の感覚的積分値はゼロになるとは限らない。動作点 A734および動作点 B735を適切に選択して、動作点 A継続時間 745 および動作点 B継続時間 746を適切に設定することで、任意の方向に自在にトルク感覚を提示し続けることができる。

[0056] 以上のことは、感覚特性 731が指数関数的な場合などの非線形特性を示す時にも成立する。（図 10-3)の感覚特性 731が（図 3-1)の感覚特性 231のように閾値を持つ場合も、（図 3-2)と同様のトルク感覚が生じ、片方の方向のみにトルク感覚を間欠的に提示し続けることができる。

[0057] 図 11は、本実施形態の触カ覚提示機中の回転子に適用可能な偏心回転子の説明図で、 2つの偏心回転子 A812および偏心回転子 B813の回転の方向および位相を適切に同期させることによって、振動感覚 ·トルク感覚'力感覚の触カ覚情報提示方法を示す図である。

[0058] 図 11中の（図 11— 2)は、（図 11— 1)の 2つの偏心回転子 A812および偏心回転子 B813を同方向で同期回転させた場合を模式ィ匕したものである。この同期回転の結果、偏心回転が合成される。（図 11— 3)は、（図 11— 1)の 2つの偏心回転子 A812および偏心回転子 B813を同方向で 180度位相が遅れて同期回転させた場合を模式化したものである。この同期回転の結果、偏心のないトルク回転を合成することができる。

[0059] また（図 11 4)は、（図 11— 1)の 2つの偏心回転子 A812および偏心回転子 B813 を反対方向に同期回転させた場合を模式ィ匕したものである。この反対方向の同期回転の結果、任意の方向に直線的に単振動する力を合成することができる。

[0060] 図 12中の（図 12— 1)は、（図 11— 2)における 2つの偏心回転子 A822および偏心回転子 B823の回転の方向および位相を適切に同期させることによって、偏心振動の振動強度を変化させる方法を示す図である。 2つの偏心回転子 A822および偏心回転子 B823の回転の位相差 (例えば、位相差 0° 851、位相差 90° 852、位相差 180° 853)を調整して、 2つの偏心回転子合成重心（854、 855、 856)、および回転子の回転中心と合成重心との重心モーメント長（857、 858、 859)を適切に変化させることによって、偏心回転子（822、 823)の回転速度を変化させることなしに、偏心振動の振動強度を変化させることができる。これによつて、振動周波数と振動強度を独立に制御することができる。

[0061] これに対して、携帯電話のマナーモードなどで用いられている偏心回転子は、回転速度を増加させることで振動強度を増加させており、振動周波数と振動強度を独立に制御することはできない。

[0062] また（図 12— 2)は、（図 11 4)における 2つの偏心回転子 A842および偏心回転子 B843の回転の方向を適切に反転させることによって、力および Zまたは力感覚の強弱、振動および Zまたは振動感覚の強度を変化させる方法を示す図である。 2つの偏心回転子 A842および偏心回転子 B843の適切な位相（例えば、位相 0° 861、位相 45° 862、位相 90° 863、位相 135° 864、位相 180° 865)において回転方向を反転させることによって、振動の振幅（866、 867)を適切に変化させることにより、偏心回転子（842、 843)の回転速度を変化させることなしに、力、および Zまたは力感覚の強度を可変にすることができる。これによつて、力、および Zまたは力感覚の周波数と強度とを独立して制御することができる。

[0063] 図 11 1一図 12— 2における説明では 2つ偏心回転子の回転軸は同一軸上に表現されている力特に同一軸上にある必然性はなぐ同一軸上も含め回転軸が平行してさえすればよい。

[0064] 図 13は、 2つの偏心回転子 A812および偏心回転子 B813を 1組として、その 3組を直交座標系に配置した触カ覚提示機 1301を示す図である。図中符号 1310は偏心回転子、 1311はそれを駆動するモータである。このように複数個の偏心回転子を 3次元空間的に配置することによって、（図 11-2)—（図 11-4)で示された振動感覚、トルク感覚、力感覚を任意の 3次元方向に提示することができる。上記の直交座標系の配置は、 3次元方向に提示するための一例である。

[0065] (応用例 1)

図 14は、（図 10— 1)の偏心回転子 711、（図 11— 1)のツイン偏心回転子 811、図 1 3の 3次元空間配置されたツイン偏心回転子のいずれかをシート状に 2次元平面的に配置したシート状偏心回転子アレイ 880を示す図である。ツイン偏心回転子の駆動部分の実施方法は、分子モータゃ圧電素子などでもよぐ目的の物理量を提示できるものならばどんなものでも構わな、。 [0066] 図 15は、本シート状偏心回転子アレイ 880を手袋状に加工した手袋状偏心回転子アレイ 890を示す図である。それぞれの偏心回転子の回転を適切に制御することで掌上に空間'時間的に様々なパターンの、振動感覚、トルク感覚、力感覚を提示することができる。

[0067] なお、上記のシート状偏心回転子アレイ 880および手袋状偏心回転子アレイ 890 は実施形態の一例に過ぎず、偏心回転子アレイが 3次元的に配置された場合を含め衣類やウエアラブルな触カ覚情報提示などにも応用することができる。

[0068] 図 16は、カ覚に関する感覚特性を用い、 2つの偏心回転子 A912および偏心回転子 B913の回転を位相同期させた触カ覚情報提示方法を示す図である。

[0069] ここで、（図 16— 2)は、（図 16— 1)の 2つの偏心回転子 A912および偏心回転子 B9 13を同方向で 180度位相が遅れて同期回転させた場合を模式ィ匕したものである。この同期回転の結果、偏心のないトルク回転を合成することができる。

[0070] (図 16— 3)は感覚特性 931が対数関数的な特性の場合を模式ィ匕したものであり、感覚特性 931は感覚特性 211と同様に刺激である物理量 932に対してその感覚量 9 33が対数などの非線形特性であることを示している。この感覚特性 931上の、動作点 A934で正のトルクを発生し、動作点 B935で逆方向の負のトルクを発生した場合を考えると、トルク感覚 944は（図 16— 4)のように表わされる。トルク 943は回転子の回転速度 942の時間微分に比例する。動作点 A934、および動作点 B935で動作させると、トルク感覚 944が知覚される。

[0071] トルク 943は、物理的に 1サイクルで初期状態 948に戻り、その積分値はゼロとなつている。しかし、感覚量であるトルク感覚 944の感覚的積分値はゼロになるとは限らない。動作点 A934および動作点 B935を適切に選択して、動作点 A継続時間 945および動作点 B継続時間 946を適切に設定することで、任意の方向に自在にトルク感覚を提示し続けることができる。

[0072] 以上のことは、感覚特性 931が指数関数的な場合などの非線形特性を示す時にも成立する。（図 16— 3)の感覚特性 931が（図 3-1)の感覚特性 231のように閾値を持つ場合も、（図 3-2)と同様のトルク感覚が生じ、片方の方向のみにトルク感覚を間欠的に提示し続けることができる。 [0073] 図 17は、カ覚に関する感覚特性を用い、 2つの偏心回転子 A1012および偏心回転子 B1013の回転を反対方向に位相同期させた触カ覚情報提示方法を示す図である。

[0074] 図 17中の（図 17— 2)は、（図 17—1)の 2つの偏心回転子 A1012および偏心回転子 B 1013を反対方向に同期回転させた場合を模式ィ匕したものである。この反対方向の同期回転の結果、任意の方向に直線的に単振動する力を合成することができる。 ( 図 17-3)は感覚特性 1031が対数関数的な特性の場合を模式ィ匕したものであり、感覚特性 1031は感覚特性 211と同様に刺激である物理量 1032に対してその感覚量 1033が対数などの非線形特性であることを示している。この感覚特性 1031上の、動作点 A 1034で正の力を発生し、動作点 B 1035で逆方向の負の力を発生した場合を考えると、力感覚 1044は（図 17— 4)のように表わされる。 2つの偏心回転子の合成回転速度の大きさ 1042は偏心回転子 A1012および偏心回転子 B1013の回転速度の合成であり、力 1043は 2つの偏心回転子の合成回転速度の大きさ 1042の時間微分に比例する。動作点 A1034、および動作点 B1035で動作させると、力感覚 1 044力知覚される。力 1043は、物理的に 1サイクルで初期状態 1048に戻り、その積分値はゼロとなっている。しかし、感覚量である力感覚 1044の感覚的積分値はゼロになるとは限らない。動作点 A1034および動作点 B1035を適切に選択して、動作点 A継続時間 1045および動作点 B継続時間 1046を適切に設定し、 2つの偏心回転子 A1012および偏心回転子 B1013の同期位相を調整することで、任意の方向に自在に力感覚を提示し続けることができる。

[0075] 以上のことは、感覚特性 1031が指数関数的な場合などの非線形特性を示す時にも成立する。（図 17-3)の感覚特性 1031が（図 3-1)の感覚特性 231のように閾値を持つ場合も、（図 3— 2)と同様な力感覚が生じ、片方の方向のみに力感覚を間欠的に提示し続けることができる。

[0076] 図 18は、図 17で示された 2つの偏心回転子を用いた力感覚の提示方法を用いて、自分で押す感覚（図 18-1)、膨張感 (図 18-2)、圧迫感 (図 18-3)、自分で引つ張る感覚（図 18-4)、外部力も引っ張られる感覚（図 18-5)、外部力も押される感覚 (図 18-6)を提示する方法を模式ィ匕した図である。 [0077] 自分で押す感覚（図 18—1)は、掌の裏と表に、ツイン偏心回転子 1111およびツイン偏心回転子 1112を用いて、それぞれ力 1113および力 1114を提示することによつて、自分で掌の表によって物体を押したような感覚を提示することができる。

[0078] 膨張感（図 18-2)、圧迫感（図 18-3)、自分で引っ張る感覚（図 18-4)、外部から引っ張られる感覚（図 18— 5)、外部力も押される感覚（図 18— 6)についても同様に提示することができる。

[0079] 図 19は、手袋状偏心回転子アレイ 1170の 1171上のそれぞれのツイン偏心回転子 1172の回転を適切に制御することで、掌および指先などに、力 1173、せん断力 1 174、トルク 1175を提示する方法を示す図である。

[0080] また、図 20のように、指に巻かれたスキン状偏心回転子アレイ 1181上で同一方向にトルクを提示することで、指全体をひねる合成トルク 1185を提示することができる。

[0081] さらに、図 21のように、掌に提示する抗カ 1193の空間的な強度分布を適切に調整することで、球状抗カ 1191や立方体状抗カ 1192などを提示することによって、掌に球や立方体などの 3次元形状感覚、あるいは弾力感覚およびプ-ヨブ-ョ感などの触覚感覚を提示することができる。

[0082] さらに、図 22のように、掌に提示する抗カ 1193の空間的な強度分布を時間的に変ィ匕させることによって、力が掌上を伝わって行く感覚 1195、物が掌上を転がっていく感覚、力が掌を通過していく力感覚 1196を提示することができる。同様に、せん断力、トルクなどを変化させることによって、表面粗さなどの仮想物体表面のテクスチャ一を提示することができる。

[0083] 図 19一図 22に示した以上の提示方法によれば、掌の動きに合わせて力感覚の空間分布を適切に変化させることによって、仮想的な物体の存在、形状、弾性、テクスチヤ一などの物体に関する様々な触カ覚情報を提示することができる。

[0084] (動作原理 2)

図 23は、任意方向に振動感覚'力感覚'トルク感覚のいずれか 1つ以上の触カ覚情報を、連続的、断続的に提示する制御方法の 1例として、カ覚に関するマスキング効果によって感覚特性を変化させる方法を用いて、任意の方向に振動触カ覚情報提示方法を示す図である。 [0085] 感覚特性は、マスキング振動 1216によってマスキングされ力感覚 1224が減少する。このマスキング振動は、（図 17— 2)において偏心回転子 Aの回転速度 1022および偏心回転子 Aの回転速度 1023を同期させて速度を振動されることによって発生させることができる。（図 23— 1)はこれを模式ィ匕したものであり、この時知覚されるカ感覚 1224は（図 23— 2)のように表わされる。力 1213は 2つの偏心回転子の合成回転速度の大きさ 1212の時間微分に比例する。

[0086] この時、回転子の回転速度 1212を初期化する初期化時間 1215を短縮していき、図 23— 3のようにある一定時間よりも短くなると初期化による負の力が物理的に存在するにも関わらず、力感覚 1244のように力が連続して提示されて、るように感じられる臨界融合が生じる。

[0087] 以上のことは、マスキーとマスカ一が異なる回転子による場合にも生じるし、また、力だけでなくトルクの場合にも同様な連続提示感覚が生じる。

[0088] 上記触カ覚情報提示システムの実際の利用にお、ては、人の何気な!/、動作によるトルク提示機の姿勢変化が、コリオリカやジャイロ効果による慣性力として感じられてしまうため、回転子自身の慣性力を極力抑えた上で大きなトルクも提示できる必要がある。以下では、この慣性力について検討する。

[0089] トルク感覚を発生させる方法として、慣性モーメントを持った回転体の回転速度を加速 ·減速する方法と、回転体をその回転軸と直交する軸周りに回転させる方法がある。機構学的見地から以下の回転子姿勢制御型 (以下、ジャイロ型 1311と呼ぶ）と、合成角運動量べクトル微分型 1312の 2つに大きく分類される（図 24)。

[0090] まず、ジャイロスコープを用いた回転子の姿勢を制御するジャイロ型 1311を説明する。ジンノレ構造を用いて一定角速度 ωで回転する回転子の姿勢を 2つのジンバ

0

ル軸周りの回転角 θ 、 Θ を変化させてトルクを発生させることができる。慣性モーメ

1 2

ント Iの回転体を角速度 ωで回転させた時の角運動量 Lは、

0 0

L = I ω

0 0

[0091] と表わされる。このとき、トルクが発生する方向を考慮して、大きさ一定の角運動量べタトル L ( I L I =L )を角速度 ωで回転させたときのトルクベクトル τは、

0

τ = ω X L、ここで o> =d Θ /d t で表わされる。

[0092] 次に、合成角運動量ベクトルの時間変化を制御する合成角運動量ベクトル微分型 1312を説明する。 X軸、 y軸、 z軸に固定された 3つの回転子の回転数 ω、 ω、 ωを独立に制御して、それぞれの回転子の角運動量を合成することで任意の方向に角運動量ベクトルを作り出すことができる。これを適切に制御すれば任意の方向にトルクを作り出すことができる。角運動量ベクトル Lを変化させた時のトルクベクトルは以下のように表される。

[0093] 各 x、 y、 z軸周りに角速度 ωで回転する角運動量 Lは、各軸周りの慣性モーメントを Iとすると、

L = I ω、 ι= X, y, ζ

[0094] と表わされる。これらの各軸周りの角運動量から構成される合成角運動量ベクトルは、 x、 y、 z軸方向の基本ベクトルを i、 j、 kとすると、

L = L i + L j + L k

と表わされる。この合成角運動量ベクトルの時間微分がトルクベクトル τである。

τ =dし/ d t

したがって、 x、y、 z軸方向の角速度の比 ω ： ω ： ωを変えることで任意の方向に角運動量ベクトルの発生方向を制御することができる。本手法は制御が容易であり、変化に富んだ 3次元カ覚感覚を提示できる利点がある。なお、人が感じるトルクは、作用 '反作用の法則により、このトルクベクトル τと同じ大きさで反対方向である。

[0095] 図 25を参照すると、

[0096] ここで、 I L I =Lで一定とし、合成角運動量ベクトル Lの向きが co =d Q Zd tで回

0

転する場合、

τ =dし/ d t

= ω X L

となり、ジャイロ型と一致する。このことは、ジャイロ型で提示可能なトルクは本提案方式によって提示できる力その逆は非であることを示している。

[0097] いま、所謂ヒトナビでの利用を考えた場合、ユーザの姿勢の動きが角運動量べタトルの変化を生じ、意図しないトルクが提示される可能性がある。そこで、慣性座標系 Oに対して角速度ベクトル Ωで回転する回転座標系 0 上で回転する合成角運動量 a

ベクトル Lによって発生するトルクにっ、て考察する。

慣性座標系 01330および回転座標系 0 1331における運動方程式は、

Ω

τ = [d L/d t]

o

= [d L/d t] + Ω X L

Ο Ω

と表わされる。図 25に示すように、回転する人の掌上の合成角運動量ベクトル 1332 の時間変化によって人が感じられるトルクは、回転座標系 0 1331

a において合成角運動量ベクトル 1332の時間変化によるトルク [d L/d t] 、および、プリセッション-

ΟΩ

トルク Ω X Lが加算されたものとなる。このプリセッションとは、ジャイロに外部からトルクが加えられるとカ卩えられたトルクと直交する方向にジャイロのスピン軸が回転することであり、ここでのプリセッション 'トルクの発生の原因は座標軸の回転にある。

すなわち、ユーザの掌の上でユーザから見て角運動量 Lの時間的な変化がない場合でも、ユーザが図 25のように角速度 Ωで回転しょうとした時にはプリセッション 'トルク Ω X Lを感じることになる。

[0098] ここでナビゲーシヨンを行う場合、ユーザの姿勢の変化が抑制される場合が発生する。これは、ユーザの体が水平方向に回転した場合、角速度 Ωと直交する角運動量 L i、および L jに対してジャイロコンパスでよく知られているプリセッション 'トルクが働きユーザの体の回転 Ωを抑制しようと働くためである。このプリセッション 'トルクはュ一ザの自由な動きを妨げる反面、ユーザの歩行に伴うトルク提示デバイスのふらつきを抑える効果もある。また、ユーザの腕が上下方向に動いた場合、角運動量し i、および L kに対して同様なプリセッション ·トルクが働く。つまり、ユーザが体を動かすとト z

ルクが働、てジャイロコンノスのように常に同じ方向を示そうとする。

[0099] 本実施形態による制御特徴は、合成角運動量ベクトル L1332の時間変化を制御する点であり、その制御の容易さが大きな利点である。 Lをゼロの近傍で急激に変化させること〖こよって、大きなトルク [d L/d t] を発生させながらも、プリセッション'ト

Ο Ω

ルク（Ω X L)を小さく抑え込むことが可能である。これによつて、上記のユーザの動きを阻害することなしにナビゲーシヨンを可能とできる。

これとは反対に、もしユーザの動きに伴ってトルク提示機が揺れて困る場合は、適度な大きさの合成角運動量ベクトル L1332の近傍で Lを時間変化させることによってトルク提示機の揺れを抑えながらもトルクを提示することが可能となる。

一方、ジャイロ型 1311を用いた場合、

τ = [dL/dt] + Ω X L

Ο Ω

= ω X L+ Ω X L

となり、大きなトルクを提示するためには、大きな角運動量ベクトル Lが必要であり、その結果、大きなプリセッション 'トルクを必ず発生させてしまう。

[0100] 特に、所謂ヒトナビでの使用するためには、携帯電話や PDAに内蔵されるか、外付けできる程度の小型化が必要である。ここでは、携帯電話に内蔵した場合のトルク提示方法'動作原理について検討する。

[0101] 実際にトルクを発生させる次元数によって図 26のように 4つに分類できる。

[0102] 従来の携帯電話では、バイブレーションは着信を知らせるために使われてきた。最近の携帯電話によるナビでは、曲がり角に近づくとまずバイブレーションによって注意を喚起して、その後音声によって曲がるべき方向を示すようになつている。すなわちノイブレーシヨンによる注意喚起であり、方向情報を提示していないので、これを 0 次元として位置付けた（バイブレーション 1341)。

[0103] また、ナビなどの平面空間での方向提示ならば、（図 26— 3)に示すように 2次元でも十分であり、携帯電話などに内蔵してカ覚的ナビゲーシヨンシステムを構築することができる。（図 26— 4)は、重心のバランスなどを考慮して新たに考案した対向式のッインモータ方式を採用したモデルである。

[0104] 次に、 3次元トルク提示の利点を説明する。

[0105] 既述の通り、 Ω X L成分はユーザの動きを阻害するため Lがゼロ近傍となる制御点で動作させることを提案した。しかし、 Lz成分は、ユーザの振り向きなどの水平面での回転にはプリセッションのトルクが働かないが、腕の上下動には飛行機におけるバーティカルジャイロのように回転軸の保存性によりトルク提示機の姿勢が安定する（図 2 7参照)。

[0106] つまり、腕が下がり肘を支点として回転ベクトル Ωが生じ、掌上のトルク提示機に X 方向にトルク τ χが発生して Lzベクトルを回転しょうとして、回転ベクトル Ωを打ち消す方向にトルクが発生する。この肘を支点としたトルク提示機の上下動を抑制するトルクがトルク提示機の位置を安定させると考えられる。

[0107] これが Lxならば地球ゴマが水平を維持したまま倒れずに回転するように、腕が水平面を回転しながら重力を打ち消すトルクが発生してトルク提示機を浮力せる形になり

、持ち続ける疲労を軽減してくれると考えられる。

[0108] (動作原理 3)

以下では、図 13に示した触カ覚提示機 1301をさらに改良した触カ覚提示機を説明する。

[0109] 図 28は、図 13の触カ覚提示機 1301と同様に、対向する 2つの偏心回転子を 1組として、その 3組を直交座標系に配置した触カ覚提示機 2801の 2次元断面図を示す図である。触カ覚提示機 2801は、球形の筐体 2807内に偏心回転子 (イナ一シャ；慣性体） 2804及びモータ 2803等が配置されており、図 28は、その球形の筐体 280 7の中心を通る断面図である。偏心回転子 2804とモータ 2803とは一体ィ匕されており、モータの回転軸 2802は筐体 2807の接ぎ手部 2810に固定されている。即ち回転軸 2820は固定されており、普通のモータの回転と同じように、回転軸 2802と一体になって、るモータの回転子の磁石とモータ 2803の本体の電磁石が反発してモータ 2 803が回る。これにより、触カ覚提示機 2801は偏心回転子とモータとがー体ィ匕した回転体が回転する。尚、当業者には理解されるであろうが、モータ 2803の本体への電源供給のための端子は、モータ 2803の本体が回転しても接点が極性を維持されるように加工されている（不図示)。このため、触カ覚提示機 2801は、図 13の触カ覚提示機 1301ではモータが筐体に固定され偏心回転子のみが回転することに比して、回転部分の質量を大きく（即ち慣性モーメントを大きく）することが可能となり、回転体の回転による力学的な動作 (振動、トルク、力の提示）の効率が向上する。さらに、筐体 2807を軽くするほどその効率が向上する。

[0110] 尚、図 28に示した触カ覚提示機 2801は、偏心回転子を適用した場合に限られず、偏心していない回転子ももちろん適用可能である。さらに、触カ覚提示機 2801は球形の筐体を例示したが、触カ覚提示機 2801の原理は球形以外の筐体にももちろん適用可能である。

[0111] 図 29は、図 28の触カ覚提示機 2801をさらに改良した触カ覚提示機 2901の 2次元断面図を示す図である。触カ覚提示機 2901は、球形の筐体 2807内にタービンフィン 2908が配置され流体 (気体流又は液体流） 2909を含んでおり、図 28は、その球形の筐体 2807の中心を通る断面図である。偏心回転子 2804とモータ 2803と力 S 一体ィ匕された回転体にタービンフィン 2908が設けられている。これにより、触カ覚提示機 2901は偏心回転子とモータとがー体ィ匕した回転体が回転するとタービンフィンが流体 2909をかき回す。このため、触カ覚提示機 2901は、図 28の触カ覚提示機 2 801の回転体が回転することに比して、流体の循環によってタービンフィンの回転に負荷抵抗がかかり、結果として回転体の実効的な慣性モーメントが増加するため、回転体の回転による力学的な動作 (振動、トルク、力の提示）の効率が向上する。さらに、筐体 2807を軽くするほどその効率が向上する。また、流体を循環させる道筋に流体流路断面を搾る狭窄穴 2910を設けることでタービンフィンの回転に負荷抵抗を掛けることができる。

[0112] 図 30は、図 29の触カ覚提示機 2901をさらに改良した触カ覚提示機 3001の 2次元断面図を示す図である。触カ覚提示機 3001は、球形の筐体 3007内に空気 300 9を含みタービンフィンに相対して筐体 3007に穴 3010が設けられており、図 30は、その球形の筐体 3007の中心を通る断面図である。筐体 3007に穴 3010力設けられていることにより、触カ覚提示機 3001はモータの制御によっては、例えば図 30の左力も右へ触カ覚提示機 3001を通って流れる気流 3002a、 3002bが発生する。この場合、触カ覚提示機 3001は、図 29の触カ覚提示機 2901が図中左向きに力感覚を提示し続けることに比して、気流 3002bの噴射の力も加味され、図中左向きにカ感覚を提示し続けることの効率が向上する。尚、これらの穴は、（必須ではないが）弁 30 10と制御回路によって開閉が制御されることで、流量と流速を制御することができることが、当業者には自明であろう。

[0113] タービンフィンは、回転方向と送風方向の関係を制御できる可変型のフィンであり、回転に伴うトルク方向は同一方向でも、フィンの角度を変えることで気流の流れる方向を制御することができる。また、用途によっては固定されていても良い。 [0114] 尚、一つの回転軸 2802に 2つずつのモータの回転子、モータ本体、偏心回転体、気流の発生する方向が反対の 2つのタービンフィンが装着さていて、回転させるタービンフィンを選択することで気流の流れ方向を制御できるようにしてもよい (不図示)。

[0115] (応用例 2)

図 31は、図 15の手袋状偏心回転子アレイ 890の他の応用例を示す、シート状偏心回転子アレイ 3111を手袋状に加工した手袋状偏心回転子アレイ 3110を示す図である。図 31においては、回転子は格子状に整列されており、そのうちの偏心回転子 3170a— 3173a、 3170b— 3177bだけが回転している。これにより、手袋状偏心回転子アレイ 3110の各偏心回転子 3170a— 3173a、 3170b— 3177bの回転を適切に制御することで、掌上に空間的広がりとしての仮想的なねじれの触カ覚情報を提示することができる。より詳細には、偏心回転子 3170a— 3173aによって同一方向に大きなトルクを提示することで、掌中心部を反時計回りにひねる大きな合成トルク 3 15aを提示し、偏心回転子 3170b— 3177bによって同一方向に小さなトルクを提示することで、掌外延部を時計回りにひねる合成トルク 315bを提示する。これにより、掌中心部を反時計回りに強くひねり掌外延部を時計回りに弱くひねる仮想的なねじれの触カ覚が体感される。

[0116] 図 32は、図 28の触カ覚提示機 2801をさらに改良した触カ覚提示機 3201の 2次元断面図を示す図である。触カ覚提示機 3201は、球形の筐体 2807中心部に制御回路 3205と角加速度センサ (及び重力 ·加速度センサ） 3206が配置されており、図 32は、その球形の筐体 2807の中心を通る断面図である。制御回路 3205は図 41における制御装置 4120に相当し、角加速度センサ (及び重力 ·加速度センサ） 3206は図 41における入力装置 4130に相当する。図 32の触力覚提示機 3201は野球ボールの態様をしたボールを想定して、るが、その他どのような形のボールであってもよい。角加速度センサ 3206は、ボール (触カ覚提示機 3201)が図中符号 3210の向きへ投球された時のリリースで発生するバックスピン 3215をモニタし、また、等速回転運動の場合には重力 ·加速度センサで重力方向がわかり、重力方向がセンサの xyz 軸成分で周期的に変化するので、ボールの回転をモニタすることができる。尚このような方法でなくても、ボールの回転が検出できればその他の方法を適用してもよい。制御回路 3205は、角加速度センサ (及び重力 ·加速度センサ） 3206からの入力情報を解析して、ボール (触カ覚提示機 3201)のバックスピン 3215を打ち消すように触カ覚提示機 3201内のモータを制御する。このため、ボール (触カ覚提示機 3201 )は無回転となり、その後方に発生する流れや渦の影響で不規則に揺らいで変化する変化球となる（所謂ナックルボール)。同様に、回転をその他自在に制御することにより、カーブやシュート、さらにはカーブした後にシュートして落ちるような現実の野球ではあり得ない変化球も含め様々変化球を実現することができる。尚、図 32の実施形態は、図 29の触カ覚提示機 2901にも適用可能である。

[0117] 再度、図 30の触カ覚提示機 3001を参照する。従来の VRにおけるカ覚提示機は、それ自体の重量がユーザに感じさせる本来の VRの効果を低減させていた。そこで、図 30の触カ覚提示機 3001において、モータの制御によって、図 30の上から下へ触カ覚提示機 3001を通って流れる気流を発生させることで、下方への気流の噴射の力によって触カ覚提示機 3001自体の重量をユーザに感じさせることを低減し、 V Rをユーザに感じさせる本来の効果を向上できる。同様に、図 30の下から上へ触力覚提示機 3001を通って流れる気流を発生させることで、上方への気流の噴射の力によって触カ覚提示機 3001自体の重量を実際よりも重くユーザに感じさせることもできる。

[0118] 図 33は、本実施形態で上述してきた触カ覚提示機を内蔵したペン状デバイス 330 1の説明図である。ペン状デバイス 3301は、表面にタツチパネル 3350が設けられており、タツチノネル 3350は図中符号 3310、 3320、 3330、 3340の各ボタン列を表示し、各ボタン列は 4個のボタンを有する。本実施形態のペン状デバイス 3301は、例えば、ペン状携帯電話等への応用を想定している。尚、タツチパネル 3350の機能は、タツチパネルに替えて物理的なボタンでもよい。また、各ボタン列は 4個のボタンに限らず、所望の数であってもよい。また、ボタン列も所望の数だけ設けてよい (これらの例として、図 42に図 33の補足説明の図を示す)。ここで、図 33 (a)力図 33 (b)へ 180° 回転させて使用しているが、（360° Z列の数)の回転角度ずつ列の数だけ仮想的な操作パネルが存在することになる。

[0119] 図 33 (a)〖こ示すように、ユーザがペン状デバイス 3301を把持し符号 3302の向き力らペン状デノイス 3301を見て!/ヽる場合、ボタン歹 IJ3310、 3320、 3330ίま、各々「1 、 4、 7、水」、「3、 6、 9、 #」、「2、 5、 8、 0」の数字入力機能のボタンを有する。

[0120] 一方、図 33 (b)に示すように、ユーザがペン状デバイス 3301を図 33 (a)の状態から 180° 回転して把持し、符号 3302の向きからペン状デバイス 3301を見ている場合、ボタン列 3310のボタン「1、 4、 7、 *」は各々「あ、た、ま、 -、。」のかな入力機能となり、ボタン列 3320のボタン「3、 6、 9、 #」は各々「さ、は、ら、（enter)」のかな入力機能となり、ボタン列 3340のボタン

[⁰¹²¹] 「◊ 、、 Φ 、」

[0122] は各々「か、な、は、わ」のかな入力機能となる。即ち、この例の場合は、 4行 4列で実現しており、デバイスの表側として第 1列第 2列第 3列を利用して、デバイスの裏側として第 3列第 4列第 1列を使用可能としている。

[0123] 図 34は、ペン状デバイス 3301の概略構成を示す図である。ペン状デバイス 3301 は、触カ覚提示機 3410、制御回路 3420、周知の加速度センサをもとにした姿勢センサ 3430、ペン状デバイス制御回路 3440、タツチパネル 3350から構成される。制御回路 3420は図 41における制御装置 4120に相当し、姿勢センサ 3430は図 41における入力装置 4130に相当する。ペン状デバイス制御回路 3440は、姿勢センサ 3 430からの入力に基づ!/、て図 33 (a)と図 33 (b)の!、ずれの状態でユーザがペン状デバイス 3301を見ているか判定し、図 33 (a)又は図 33 (b)のように符号 3310、 332 0、 3330、 3340の各ボタン列の入力機能を決定し、対応ボタンをタツチパネル上に表示する。また、ペン状デバイス制御回路 3440は、タツチパネル 3350からの入力を処理し、例えばボタン「0」がユーザによって押下された場合には数字の 0の入力を処理する。ペン状デバイス制御回路 3440のような、姿勢センサ 3430からの入力を処理しタツチパネル 3550からの入力を処理する回路とその制御は、当業者には周知なため詳細な説明は要しないであろう。

[0124] ここで、例えばボタン「0」がユーザによって押下された場合、姿勢センサ 3430は、図 34中の向き 3302への姿勢変化を検知したり、タツチパネルの圧力センサが押下した指の動きを検知し、制御回路 3420は、姿勢センサ 3430からの入力情報を解析して、タツチパネル上の仮想ボタンなのに実際のボタンを押したような感覚が提示されるように 3460と 3302の向きの動きを提示するように触カ覚提示機 3410内のモータを制御しカ覚フィードバックを与える。このため、触カ覚提示機 3410は向き 3460と 3302へ力の提示を行い、ボタン「0」の押下をユーザに体感させる。

[0125] また、例えばボタン「0」がユーザによって上から下に擦られた場合、姿勢センサ 34 30が図 34中の向き 3470への姿勢変化を検知したり、タツチパネルのセンサが擦つた指の動きを検知し、制御回路 3420は、姿勢センサ 3430およびタツチパネルのセンサからの入力情報を解析して、タツチパネル上の仮想ホイールなのに実際のスクロール用ホイールやジョイスティックを操作したような感覚が提示されるように 3470と 34 80の向きの動きを触カ覚提示機 3410内のモータを制御しカ覚フィードバックを与える。このため、触カ覚提示機 3410は向き 3470と 3480へ力の提示を行い、仮想スクロール用ホイールの操作感覚をユーザに体感させる。

[0126] 図 35は、本実施形態で上述してきた触カ覚提示機を内蔵したポインタ 3501の説明図で、ポインタ 3501の概略構成を示す図である。ポインタ 3501は、触カ覚提示機 3510、制御回路 3520、姿勢センサ（又は位置センサ若しくは加速度センサ） 353 0、ポインタ制御回路 3540、スィッチ 3550、レーザ光源 3590から構成される。制御回路 3520は図 41における制御装置 4120に相当し、姿勢センサ 3530とスィッチ 35 50は図 41における入力装置 4130に相当する。ポインタ制御回路 3540は、スィッチ 3550ON時にレーザ光源 3590力らレーザ光 3580を出すように帘 IJ御する。ポインタ制御回路 3540のような、レーザ光源 3590からレーザ光 3580を出すように制御する回路とその制御は、当業者には周知なため詳細な説明は要しないであろう。

[0127] ここで、ユーザによってスィッチ 3550が押下されポインタ 3501が向き 3570へ振られた場合、姿勢センサ 3530は向き 3570への姿勢変化を検知し、制御回路 3520は、姿勢センサ 3530からの入力情報を解析して、触カ覚提示機 3510の向き 3570への動きを抑制するように触カ覚提示機 3510内のモータを制御する。このため、触力覚提示機 3510は向き 3590へ力の提示を行い、振った向き 3570に対する抗カをュ一ザに体感させる。これにより、例えば、レーザ光追尾機能を有する物体 3560に対して、レーザ光 3580の照射によって物体 3560をポイントしながら図 35中左力も右へ移動させるような場合、物体 3560を動力ゝした向き 3570に対する抗カ（向き 3590の力）をユーザに体感させることでユーザが物体 3560をつかんで移動させたかのような感覚を与える。ここではレーザ光源 3590およびレーザ光追尾機能を用いて物体 3 560の選択および把持意思をポインタ制御回路 3540に伝えて、るが、選択および把持意思が入力できるのならばこの限りではない。

[0128] 図 36は、本実施形態で上述してきた触カ覚提示機を内蔵した指揮棒型コントローラ 3601の説明図で、指揮棒型コントローラ 3601の概略構成を示す図である。指揮棒型コントローラ 3601は、家庭用ビデオゲーム機の周知の（指揮をする）音楽ゲーム等で使用するコントローラである。指揮棒型コントローラ 3601は、触カ覚提示機 361 0、制御回路 3620、姿勢センサ 3630、コントローラ制御回路 3640から構成される。制御回路 3620は図 41における制御装置 4120に相当し、姿勢センサ 3630とコントローラ制御回路 3640は図 41における入力装置 4130に相当する。コントローラ制御回路 3640はゲーム機 3606と信号 3609を送受信することにより、姿勢センサ 3630 力もの入力情報を処理してゲーム機 3606へ送信し、ゲーム機 3606からの指示を受信する。コントローラ制御回路 3640のような、ゲーム機 3606と通信するように制御する回路とその制御は、当業者には周知なため詳細な説明は要しないであろう。尚、図 36においては信号 3609は有線システムの信号を例示している力これに限らず、信号 3609は無線システムにおける信号であってもよい。

[0129] ここで、ユーザがモニタ 3605の音楽ゲームを行うとき指揮棒型コントローラ 3601を向き 3607へ振った場合、姿勢センサ（又は圧力センサ） 3630は握り方や向き 3607 への姿勢変化を検知し、コントローラ制御回路 3640は、姿勢センサ 3630からの入力情報を処理してゲーム機 3606へ送信する。ゲーム機 3606は、姿勢センサ 3630 からの姿勢変化の情報に基づいて音楽ゲームを処理し、指揮者の指揮棒の振り方によって、テンポ、強弱、ブレスなどの音楽ゲーム中のオーケストラの演奏が変化する。そのときの音楽が人によって演奏可能な演奏速度や演奏方法のダイナミックレンジを越えると判定した場合、抑制信号をコントローラ制御回路 3640へ送信する。コントローラ制御回路 3640は、抑制信号を受信すると制御回路 3620へその旨の情報を送り、制御回路 3620は、コントローラ制御回路 3640からの入力情報を解析して、触カ覚提示機 3610の向き 3607への動きを抑制するように触カ覚提示機 3610内のモータを制御する。このため、触カ覚提示機 3610は向き 3660へ力の提示を行い、振つた向き 3607に対する抗カをユーザに体感させる。これにより、音楽ゲームにおいて音楽が人によって演奏可能な演奏速度や演奏方法のダイナミックレンジを越えることはなくなり、より音楽ゲームがリアルなものとなる。

[0130] (変形形態）

以下では、動作原理 1一 3の変形形態を説明する。

[0131] 図 37は、本実施形態で上述した（図 11-4)の触カ覚情報提示方法の変形形態の概略構成を示す図である。（図 11-4)では、 2つの偏心回転子を反対方向に同期回転させ、任意の方向に直線的に単振動する力を合成した。図 37は、偏心回転子に替えてピエゾ素子 3701を使用し、ピエゾ素子 3701を図中 X方向に複数積層したピェゾアレイ 3710と、ピエゾ素子 3701を図中 y方向に複数積層したピエゾアレイ 3720 を構成し、それらピエゾアレイ 3710、 3720を交互に x、 y方向に並べた振動子であるピエゾマトリクス 3730を示す図である。

[0132] 図 37のピエゾマトリクス 3730を使用する触カ覚情報提示方法は、図 41において、回転子 4180に替えてピエゾマトリクス 3730を使用した方法である。このような構成で、図 41の制御装置 4120は、図 37における X方向の電圧を制御して X方向の単振動 3750を制御し、図 37における y方向の電圧を制御して y方向の単振動 3740を制御する。ピエゾ素子 3701単体では十分な振幅が出ないところを、図 37の構成では、ピェゾアレイ 3710、 3720を構成し大きな振幅を可能としている。図 37の方法によれば、図 41の触カ覚提示機 4110は、回転子 4180の駆動に要したステッピングモータやサーボモータが不要となり、制御装置 4120もそれらモータの制御回路が不要となり、触カ覚提示機と制御装置とを合わせた構成が簡単になる。

[0133] さらに図 37のピエゾマトリクス 3730を拡張し、ピエゾアレイ 3710、 3720を交互に x 、 y、 z方向に並べたピエゾの立方体等を構成すれば、 x、 y、 z方向の単振動が制御可能な振動子を構成できることは、当業者には理解されるであろう。図 37の方法は、例えば、ゲーム機のコントローラで所望の方向の力を発生させる仕組みに適用可能である。ここでピエゾ素子 3701の配列パターンは、 x、 y、 z方向の単振動を発生することができるならば特に問わない。 [0134] 図 38も、本実施形態で上述した（図 11-4)の触カ覚情報提示方法の別の変形形態の概略構成を示す図である。図 38 (a)は、偏心回転子に替えてスピーカの構造を使用した立方体の振動子 3801を示し、振動子 3801は、スピーカの磁石 3810b、 3 810c, 3810m等を各面中央に有する。尚、磁石 3810b、 3810c, 3810m等は各面中央に限らず、面の任意の位置でもよい。

図 38 (b)は、図 38 (a)において振動子 3801をその重心を通る水平な断面 3820で切って見た場合の断面図を示す図で、振動子 3801は、磁石 3810a、 3810b, 381 0c、 3810dの各々と組み合わされたスピーカのコーン 3840a、 3850a, 38墨、 38 50b、 3840c, 3850c, 3840d、 3850dを各面に有する。

[0135] 図 38の振動子 3801を使用する触カ覚情報提示方法は、図 41において、回転子 4 180に替えて振動子 3801を使用した方法である。このような構成で、図 41の制御装置 4120は、例えば図 38 (b)における X方向の磁石の電圧を制御して X方向の単振動 3870を制御し、図 38 (b)における y方向の磁石の電圧を制御して y方向の単振動 3860を制御する。図 38の構成では、スピーカの磁石とコーンの振動による大きな振幅を可能としている。図 38の方法によれば、図 41の触カ覚提示機 4110は、回転子 4180の駆動に要したステッピングモータやサーボモータが不要となり、制御装置 41 20もそれらモータの制御回路が不要となり、触カ覚提示機と制御装置とを合わせた構成力 ^s簡単になる。ここで磁石 3810a、 3810b, 3810c, 3810dの各々と糸且み合わされたスピーカのコーン 3840a、 3850a, 38墨、 3850b, 3840c, 3850c, 3840 d、 3850dのような構成でなくとも、 x、 y、 z方向の単振動を発生することが実現できれば特に磁石とコーンの組み合わせを問わず、磁石のみで構成としてもょ、。

[0136] 図 39は、本実施形態で上述した図 13の触カ覚提示機 1301の変形形態の概略構成を示す図である。図 13の触カ覚提示機 1301では、その前提の図 11— 1一図 12— 2における説明にあるように、対向する 2つの偏心回転子の回転軸は同一軸上も含め回転軸が平行してさえすればよい。このため、図 13の触カ覚提示機 1301では、対向する 2つの偏心回転子が回転軸方向に離れており異なる面で各々回転するため、 2つの偏心回転子のそれら回転面方向に発生する相互の力による余分なモーメントが触カ覚提示機 1301に発生し、回転軸のカタカタ音等の要因となることが懸念される。図 39は、対向する 2つの偏心回転子が異なる面で回転することに起因した余分なモーメントの発生を抑制した構造を示す図である。

[0137] 図 39に示す対向する 2つの偏心回転子 3901aと 3901bの配置は、それらの回転軸が同一軸上にあり、偏心回転子 3901aを偏心回転子 3901bの一部が覆う構成となっている。このような構成により、 2つの偏心回転子 3901aと 3901bの多くの質点が、同一回転軸の周りに同一面上で回転するため、対向する 2つの偏心回転子が異なる面で回転することに起因した余分なモーメントの発生が抑制され、回転軸のカタ力タ音等も緩和される。これにともなって 3組の偏心回転子対 3901aと 3901b等を図 1 3のように重心位置で直交させることは不可能であり、それぞれの偏心回転子対 390 laと 3901b等が直交関係にあればよい。また、 3次元的に任意の方向に回転を合成できれば直交していなくても良い。尚、本実施形態は 3次元に限らず、用途によっては、 1次元でも、 2次元でも応用が可能である。

[0138] (応用例 3)

図 40は、本実施形態で上述してきた触カ覚提示機を内蔵した机上デバイス 4001 の説明図で、机上デバイス 4001の概略構成を示す図である。机上デバイス 4001は、触カ覚提示機 4010、制御回路 4020、姿勢センサ 4030 (加速度又は角加速度若しくは位置センサでもよ、）力も構成される。制御回路 4020は図 41における制御装置 4120に相当し、姿勢センサ 4030は図 41における入力装置 4130に相当する。

[0139] ここで、例えば机上デバイス 4001がユーザによって机上で向き 4040へ移動された場合、姿勢センサ 4030は、図 40中の向き 4040への位置変化を検知し、制御回路 4 020は、姿勢センサ 4030からの入力情報を解析して、触カ覚提示機 4010の向き 4 040への動きを抑制したり水平方向に揺らしたりするように触カ覚提示機 4010内のモータを制御する。このため、触カ覚提示機 4010は向き 4050へ力の提示を行い、向き 4040への移動に対する机上の摩擦力をユーザに体感させる。

[0140] また、例えば机上デバイス 4001がユーザによって机上で向き 4040へ移動された場合、姿勢センサ 4030は、図 40中の向き 4040への位置変化を検知し、制御回路 4 020は、姿勢センサ 4030からの入力情報を解析して、触カ覚提示機 4010の向き 4 040に対して法線方向の力を発生するように触カ覚提示機 4010内のモータを制御する。このため、触カ覚提示機 4010は方向 4060の単振動などの力の提示を行い、向き 4040への移動に対する机上のでこぼこ感をユーザに体感させる。

産業上の利用可能性

[0141] 本発明を実施することにより、 VR (Virtual Reality)の分野において用いられる機器 ,ゲームの分野において用いられる機器，携帯電話機，携帯型ナビゲーシヨン機器， PDA (携帯情報端末)などに搭載され得る、有用なマンマシンインタフェースを実現することができる。

[0142] より具体的に述べると、例えば VRの分野においては、本発明を適用したマンマシンインタフェースを介して人に力を提示したり、抗カあるいは反力などを与えて人の動きを制限することにより、仮想空間における物体の存在や衝突による衝撃を提示することができる。また、携帯電話機，携帯型ナビゲーシヨン機器などに上記インタフエースを搭載することにより、操作者の皮膚を介して、従来には見られなカゝつた各種多様な指示 ·案内等を実現することができる。

図面の簡単な説明

[0143] [図 1]本発明の一実施形態における触カ覚情報提示システムの概略構成を示す図である。

[図 2]触カ覚に関する感覚特性を用いた触カ覚情報提示方法を示す図である。

[図 3]触カ覚に関する感覚特性を用いた触カ覚情報提示方法を示す図である。圆 4]触カ覚に関するヒステリシス的感覚特性を用いた触カ覚情報提示方法を示す図である。

[図 5]触カ覚に関するマスキング効果によって感覚特性を変化させる方法を用いた触カ覚情報提示方法を示す図である。

[図 6]触カ覚に関するマスキング効果によって感覚特性を変化させる方法を用いた触カ覚情報提示方法を示す図である。

[図 7]触カ覚に関するマスキング効果によって感覚特性を変化させる方法を模式ィ匕した図である。

[図 8]触カ覚に関する感覚特性の変化に合わせて触カ覚情報提示を制御する方法を用いた触カ覚情報提示方法を示す図である。圆 9]触カ覚に関する感覚特性である不等方性感度曲線変化に合わせて触カ覚情報提示を制御する方法を用いた触カ覚情報提示方法を示す図である。

[図 10]触カ覚に関する感覚特性を用い、偏心回転子 711の回転を位相同期させた触カ覚情報提示方法を示す図である。

[図 11]2つの偏心回転子 A812および偏心回転子 B813の回転の方向および位相を適切に同期させることによって、振動感覚、トルク感覚、力感覚の触カ覚情報提示方法を示す図である。

[図 12]2つの偏心回転子 A812および偏心回転子 B813の回転の方向および位相を適切に同期させることによって、振動感覚、力感覚の触カ覚情報提示方法を示す図である。

[図 13]2つの偏心回転子 A812および偏心回転子 B813を 1組として、その 3組を直交座標系に配置した説明図である。

圆 14]本発明を適用したシート状偏心回転アレイの説明図である。

圆 15]本発明を適用した手袋状偏心回転アレイの説明図である。

[図 16]触カ覚に関する感覚特性を用い、 2つの偏心回転子 A912および偏心回転子

B913の回転を位相同期させた触カ覚情報提示方法を示す図である。

[図 17]触カ覚に関する感覚特性を用い、 2つの偏心回転子 A1012および偏心回転子 B1013の回転を反対方向に位相同期させた触カ覚情報提示方法を示す図である。

[図 18]図 17に示した 2つの偏心回転子を用いた力感覚の提示方法を用いて、自分で押す感覚、膨張感、圧迫感、自分で引っ張る感覚、外部から引っ張られる感覚、外部から押される感覚を提示する方法を模式ィ匕した図である。

圆 19]本発明を適用したスキン状偏心回転アレイの説明図である。

圆 20]本発明を適用したスキン状偏心回転アレイの説明図である。

圆 21]本発明を適用したスキン状偏心回転アレイの説明図である。

圆 22]本発明を適用したスキン状偏心回転アレイの説明図である。

圆 23]触カ覚に関するマスキング効果によって感覚特性を変化させる方法を用いて

、任意の方向に振動触カ覚情報提示方法を示す図である。 [図 24]ジャイロ型および合成角運動量ベクトル微分型についての説明図である。圆 25]慣性座標系における合成角運動量の説明図である。

圆 26]本発明を適用した触カ覚情報提示システムを携帯電話に内蔵した場合のトルク提示方法 ·動作原理にっヽて示した説明図である。

圆 27]3次元トルク提示の利点を説明するに際して、腕の上下動には飛行機におけるバーティカルジャイロのように回転軸の保存性によりトルク提示機の姿勢が安定することを示す説明図である。

[図 28]対向する 2つの偏心回転子を 1組として、その 3組を直交座標系に配置した触カ覚提示機 2801の 2次元断面図を示す図である。

圆 29]触カ覚提示機 2801をさらに改良した触カ覚提示機 2901の 2次元断面図を示す図である。

圆 30]触カ覚提示機 2901をさらに改良した触カ覚提示機 3001の 2次元断面図を示す図である。

[図 31]図 15の手袋状偏心回転子アレイ 890の他の応用例を示す図である。

圆 32]触カ覚提示機 2801をさらに改良した触カ覚提示機 3201の 2次元断面図を示す図である。

圆 33]本実施形態の触カ覚提示機を内蔵したペン状デバイス 3301の説明図である [図 34]ペン状デバイス 3301の概略構成を示す図である。

圆 35]本実施形態の触カ覚提示機を内蔵したレーザポインタ 3501の説明図で、レ一ザポインタ 3501の概略構成を示す図である。

圆 36]本実施形態の触カ覚提示機を内蔵した指揮棒型コントローラ 3601の説明図で、指揮棒型コントローラ 3601の概略構成を示す図である。

圆 37] (図 11-4)の触カ覚情報提示方法の変形形態の概略構成を示す図である。圆 38] (図 11-4)の触カ覚情報提示方法の別の変形形態の概略構成を示す図である。

圆 39]図 13の触カ覚提示機 1301の変形形態の概略構成を示す図である。

圆 40]本実施形態の触カ覚提示機を内蔵した机上デバイス 4001の説明図で、机上デバイス 4001の概略構成を示す図である。

圆 41]本実施形態の触カ覚情報提示システムのブロック図である。

圆 42]本実施形態の触カ覚提示機を内蔵したペン状デバイス 3301の補足説明図である。

符号の説明

触カ覚提示機

111 制御装置

110 ユーザ

211 感覚特性

212 物理量

213 感覚量

214 動作点 A

215 動作点 B

222 回転速度

223 トルク

224 トルク感覚

228 初期状態

225 動作点 A継続時間

226 動作点 B継続時間

231 感覚特性

234 動作点 A

235 動作点 B

244 トルク感覚

243 トルク

248 初期状態

246 動作点 B継続時間

312 変位

311 ヒステリシス的感覚特性 314 動作経路 A

315 動作経路 B

334 トルク感覚

333 トルク

332 回転速度

338 初期状態

464 トルク感覚

424 マスキング

425 前方マスキング

426 後方マスキング

413 トルク

434 トルク感覚

412 回転速度

415 初期化時間

445 マスキング継続時間

485 前方マスキング

486 後方マスキング

484 トルク感覚

513 触カ覚提示機

514 提示卜ノレク

515 筋肉起因トルク

516 提示卜ノレク

517 トノレク感覚

812 偏心回転子 A

813 偏心回転子 B

912 偏心回転子 A

913 偏心回転子 B

931 感覚特性 932 物理量

933 感覚量

934 動作点 A

935 動作点 B

944 トルク感覚

942 回転速度

943 トルク

948 初期状態

945 動作点 A継続時間 946 動作点 B継続時間 1012 偏心回転子 A

1013 偏心回転子 B

1031 感覚特性

1032 物理量

1033 感覚量

1034 動作点 A

1035 動作点 B

1044 力感覚

1043 力

1042 合成回転速度の大きさ 1048 初期状態

1045 動作点 A継続時間 1046 動作点 B継続時間 1111 ツイン偏心回転子 1112 ツイン偏心回転子 1113、 1114 力

1216 マスキング振動 1224 トルク感覚 1224 力感覚

1212 合成回転速度の大きさ 1215 初期化時間

1244 力感覚

1301 触カ覚提示機

Claims

請求の範囲

[1] 2つの偏心回転子を有する触カ覚提示手段と、

前記 2つの偏心回転子における回転方向と位相関係と回転速度とを制御することにより、振動および Zまたは振動感覚の周波数と強度を独立して変化させる制御手段と

を備えたことを特徴とする触カ覚情報提示システム。

[2] 2つの偏心回転子を有する触カ覚提示手段と、

前記 2つの偏心回転子における回転方向を反転させることにより、力および Zまたは力感覚の周波数と強度を独立して変化させる制御手段と

を備えたことを特徴とする触カ覚情報提示システム。

[3] 単一の偏心回転子、および Zまたは 2つの偏心回転子力なるツイン偏心回転子、および Zまたは 3次元空間上に配置されたツイン偏心回転子を、 2次元的または 3次元的に複数個配置した偏心回転子アレイを有する触カ覚提示手段と、

前記触カ覚提示手段に含まれている各偏心回転子の回転状態を制御する制御手段と

を備えたことを特徴とする触カ覚情報提示システム。

[4] 請求項 3に記載の触カ覚情報提示システムにお、て、

前記偏心回転子アレイを加工してスキン状偏心回転子アレイを形成し、前記制御手段の制御態様に応じて、空間的および時間的に変化する振動および Zまたは振動感覚、トルクおよび Zまたはトルク感覚、力および Zまたは力感覚を提示することを特徴とする触カ覚情報提示システム。

[5] 請求項 4に記載の触カ覚情報提示システムにお、て、

前記スキン状偏心回転子アレイの制御態様を設定することにより、振動、力、せん断力、トルク、掌もしくは指もしくは他の提示対象物の全体をひねる合成トルク、 3次元的抗力の提示に起因した 3次元物体の形状感覚、弾力感覚、触覚感覚、掌もしくは指もしくは他の提示対象物上を力が伝わって行く感覚、掌もしくは指もしくは他の提示対象物上を物が転がっていく感覚、掌もしくは指もしくは他の提示対象物中を力、振動、トルクが通過していく感覚、仮想物体表面のテクスチャー、のいずれかを提示させることを特徴とする触カ覚情報提示システム。

[6] 3次元的に複数個配置した回転子を有する触カ覚提示手段と、前記触カ覚提示手段の合成角運動量ベクトルの時間変化を制御するための制御手段とを備えた触力覚情報提示システムであって、

前記制御手段は、前記合成角運動量ベクトルをゼロの近傍で急激に変化させることにより既定値のトルクを発生させると共に、プリセッショントルクを所定値以下に制御することを特徴とする触カ覚情報提示システム。

[7] 請求項 1乃至 6のいずれかに記載の触カ覚情報提示システムにおいて、

前記触カ覚提示手段は、携帯型の通信機器もしくは可搬型の電子機器に搭載可能な形状であることを特徴とする触カ覚情報提示システム。

[8] 2つの偏心回転子を有する触カ覚提示手段を制御するに際して、

前記 2つの偏心回転子における回転方向と位相関係と回転速度とを制御することにより、振動および Zまたは振動感覚の周波数と強度を独立して変化させることを特徴とする触カ覚情報提示方法。

[9] 2つの偏心回転子を有する触カ覚提示手段を制御するに際して、

前記 2つの偏心回転子における回転方向を反転させることにより、力および Zまたは力感覚の周波数と強度を独立して変化させることを特徴とする触カ覚情報提示方法。

[10] 単一の偏心回転子、および Zまたは同一の回転軸上に配設された 2つの偏心回転子からなるツイン偏心回転子、および Zまたは 3次元空間上に配置されたツイン偏心回転子を、 2次元的または 3次元的に複数個配置した偏心回転子アレイを有する触カ覚提示手段を制御するに際して、

前記触カ覚提示手段に含まれている各偏心回転子の回転状態を個別に制御することを特徴とする触カ覚情報提示方法。

[11] 請求項 10に記載の触カ覚情報提示方法において、

前記偏心回転子アレイを加工してスキン状偏心回転子アレイを形成し、空間的および時間的に変化する振動および Zまたは振動感覚、トルクおよび Zまたはトルク感覚、力および Zまたは力感覚を提示することを特徴とする触カ覚情報提示方法。

[12] 請求項 11に記載の触カ覚情報提示方法にぉ、て、

前記スキン状偏心回転子アレイの制御態様を設定することにより、振動、力、せん断力、トルク、掌もしくは指もしくは他の提示対象物の全体をひねる合成トルク、 3次元的抗力の提示に起因した 3次元物体の形状感覚、弾力感覚、触覚感覚、掌もしくは指もしくは他の提示対象物上を力が伝わって行く感覚、掌もしくは指もしくは他の提示対象物上を物が転がっていく感覚、掌もしくは指もしくは他の提示対象物中を力、振動、トルクが通過していく感覚、仮想物体表面のテクスチャー、のいずれかを提示させることを特徴とする触カ覚情報提示方法。

[13] 3次元的に複数個配置した回転子を有する触カ覚提示手段を制御するに際して、前記触カ覚提示手段の合成角運動量ベクトルの時間変化を制御する触カ覚情報提示方法であって、

前記合成角運動量ベクトルをゼロの近傍で急激に変化させることにより既定値のトルクを発生させると共に、プリセッショントルクを所定値以下に制御することを特徴とする触カ覚情報提示方法。

[14] 請求項 1乃至 7のいずれかに記載の触カ覚情報提示システムにおいて、

前記触カ覚提示手段は、偏心回転子を回転させる回転手段を含み、

前記制御手段は、前記触カ覚提示手段に含まれている前記回転手段の回転状態を制御し、

前記回転手段は、回転させる偏心回転子と一体となって回転する

ことを特徴とする触カ覚情報提示システム。

[15] 請求項 1乃至 7、又は 14のいずれかに記載の触カ覚情報提示システムにおいて、前記触カ覚提示手段は、偏心回転子と一体となって回転するフィンと、該フィンを囲む流体とを含む

ことを特徴とする触カ覚情報提示システム。

[16] 請求項 15に記載の触カ覚情報提示システムにおいて、

前記流体は空気であり、

前記触カ覚提示手段は、前記フィンと相対する外部への穴を有する

ことを特徴とする触カ覚情報提示システム。

[17] 請求項 1乃至 7、又は 14、 15のいずれかに記載の触カ覚情報提示システムにおいて、

外部情報を前記制御手段に入力する入力手段をさらに備え、

前記制御手段は、前記入力手段から入力された外部情報に従って、前記触カ覚提示手段に含まれて!/、る各偏心回転子の回転状態を制御する

ことを特徴とする触カ覚情報提示システム。

[18] 請求項 17に記載の触カ覚情報提示システムにおいて、

前記触カ覚提示手段は、前記入力手段と前記制御手段とを含み、

前記触カ覚提示手段自身が前記触カ覚情報提示システムである

ことを特徴とする触カ覚情報提示システム。

[19] 請求項 1乃至 7、又は 14乃至 18のいずれかに記載の触カ覚情報提示システムにおいて、

偏心回転子に替えて圧電素子を使用し、

前記制御手段は、前記触カ覚提示手段に含まれている各圧電素子の電圧を制御する

ことを特徴とする触カ覚情報提示システム。

[20] 請求項 1乃至 7、又は 14乃至 18のいずれかに記載の触カ覚情報提示システムにおいて、

偏心回転子に替えて磁石を使用し、

前記制御手段は、前記触カ覚提示手段に含まれて！/ヽる各磁石の電圧を制御することを特徴とする触カ覚情報提示システム。

[21] 請求項 1乃至 7、又は 14乃至 18のいずれかに記載の触カ覚情報提示システムにおいて、

2つの偏心回転子の質点が、同一回転軸の周りに同一面上で回転することを特徴とする触カ覚情報提示システム。

[22] 請求項 1乃至 7、又は 14乃至 21のいずれかに記載の触カ覚情報提示システムの触カ覚提示手段の機能を有することを特徴とする触カ覚情報提示システムの触カ覚提示機。 [23] 請求項 1乃至 7、又は 14乃至 21のいずれかに記載の触カ覚情報提示システムの制御手段の機能を有することを特徴とする触カ覚情報提示システムの制御装置。