WO2024090137A1

WO2024090137A1 - 操作装置

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Publication number: WO2024090137A1
Application number: PCT/JP2023/035609
Authority: WO
Inventors: 光一古澤; 裕啓坂下
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2022-10-27
Filing date: 2023-09-29
Publication date: 2024-05-02
Anticipated expiration: 2025-04-27
Also published as: US20260084047A1; JP2024064224A; TWI894603B; CN119856139A; DE112023004493T5; TW202418047A

Abstract

操作者が所持または装着して、操作対象の操作の用に供する操作装置において、回転軸Ｓ１を回転中心として回転する回転ホイール(151)と、回転ホイール(151)を回転させるモータ（155）とを備える。

Description

操作装置

　本発明は、操作者が所持または装着して、操作対象の操作の用に供する操作装置に関する。

　ゲーム機、コンピュータ等の電子機器と通信可能に接続され、操作対象の操作の用に供するマウス、キーボード等の様々な操作装置が普及している。また、ＶＲ（仮想現実）、体感型ゲーム等のゲームコンテンツが多様化することに伴い、操作者が所持または装着するタイプの操作装置が普及している（例えば、特許文献１）。

特開２０２０－９１９０４号公報スカイ技術研究所，"スカイ技術研究所ブログ　ジャイロモーメントとは？～独楽（こま）が倒れない理由"，［令和４年１０月１９日検索］，インターネット，＜URL：https://www.sky-engin.jp/blog/gyroscopic-moment/＞

　特許文献１には、ゲーム操作に使用されるコントローラが開示されている。特許文献１のコントローラは、内部にバイブレータを備えており、バイブレータの駆動によってコントローラに振動を生じさせることができる。これにより、ゲームをプレイ中の操作者の手に振動を感じさせるように力のフィードバック（フォースフィードバック）を与えることができる。

　近年、ＶＲ、体感型ゲーム等のゲームコンテンツでは、よりリアルな臨場感の再現が求められるようになっている。しかしながら、バイブレータの振動によるフォースフィードバックでは、臨場感の再現性が限定的である。このため、操作装置においても、振動以外の感触を与えることができるような、多様なフォースフィードバックが求められるようになっている。

　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、多様なフォースフィードバックを行うことのできる操作装置を提供することを目的とする。

　上記の課題を解決するために、本発明の操作装置は、操作者が所持または装着して、操作対象の操作の用に供する操作装置であって、回転軸を回転中心として回転する回転体と、前記回転体を、前記回転軸を中心に回転させる回転駆動部とを備えることを特徴としている。

　上記の構成によれば、回転駆動部によって回転させられている回転体に対し、その姿勢、あるいは回転速度を変化させることにより、特定の方向の慣性力を生じさせることができる。この慣性力を利用することにより、操作装置において（単なる振動ではない）多様なフォースフィードバックを行うことができる。

　また、上記操作装置は、前記回転軸を中心として回転している前記回転体を、前記回転軸に直交する第１の回動軸を中心に回動可能である構成とすることができる。

　上記の構成によれば、回転体の姿勢を変化させることで、特定の方向の慣性力（ジャイロモーメント）を発生させることができる。

　また、上記操作装置は、前記回転軸を中心として回転している前記回転体を、前記回転軸および前記第１の回動軸の両方に直交する第２の回動軸を中心に回動可能である構成とすることができる。

　上記の構成によれば、回転体の回転軸に対してそれぞれ直交する異なる２方向に対してジャイロモーメントを発生させることができる。

　また、上記操作装置は、前記回転体を、前記回転軸を回転中心として回転可能に支持する第１フレームと、前記第１フレームを、前記第２の回動軸を回動中心として回動可能に支持するとともに、前記第１の回動軸を回動中心として回動可能である第２フレームと、前記第１の回動軸を回動中心として回動可能であり、自身の回動を前記第１フレームに伝達することで、前記第１フレームを前記第２の回動軸を回動中心として回動させることが可能であるガイドフレームとを備える構成とすることができる。

　上記の構成によれば、ジャイロモーメントを発生させる機構において、回転体を回動させる駆動源の自重の影響を無くすことができ、応答性の高いものとすることができる。

　また、上記操作装置では、前記回転駆動部は、前記回転体の回転方向および回転速度を制御可能である構成とすることができる。

　上記の構成によれば、ジャイロモーメントを発生させる機構において、回転体の回転方向および回転速度を制御することで、リアクションホイールとしての機能も持たせることができる。

　また、上記操作装置では、前記回転駆動部は、前記回転体の回転方向および回転速度を制御可能であり、前記回転体として、前記回転軸がそれぞれ直交する複数の回転体を備える構成とすることができる。

　上記の構成によれば、回転体および回転駆動部をリアクションホイールの一部として利用し、回転体の回転速度を変化させることで、特定の方向の慣性力を発生させることができる。

　また、上記操作装置では、前記回転体を、前記回転軸を回転中心として回転可能に支持する第１フレームと、前記第１フレームを、前記第１の回動軸を回動中心として回動可能に支持する第２フレームと、前記第２フレームを、前記第２の回動軸を回動中心として回動可能に支持する第３フレームとを備える構成とすることができる。

　上記の構成によれば、回転体にモーメンタムホイールとしての機能を持たせる場合に、モーメンタムホイールによって保持される回転軸の向きを任意に設定することが可能となる。

　本発明の操作装置は、特定の方向の慣性力を生じさせることができる。この慣性力を利用することにより、操作装置において（単なる振動ではない）多様なフォースフィードバックを行うことができるといった効果を奏する。

本願開示の操作装置の一実施形態を示すものであり、ゲーム用コントローラの外観例を示す斜視図である。実施の形態１に係るゲーム用コントローラの機能ブロック図である。実施の形態１に係るフォースフィードバック部の斜視図である。図３のフォースフィードバック部を第２軸回転モータ側から見た側面図である。図３のフォースフィードバック部を第１軸回転モータ側から見た側面図である。図３のフォースフィードバック部で発生させることのできるジャイロモーメントを説明する図である。図３のフォースフィードバック部で発生させることのできるジャイロモーメントを説明する図である。図３のフォースフィードバック部で発生させることのできるジャイロモーメントを説明する図である。図３のフォースフィードバック部で発生させることのできるジャイロモーメントを説明する図である。本願開示の操作装置の他の実施形態を示すものであり、ゲーム用コントローラの外観例を示す斜視図である。実施の形態２に係るゲーム用コントローラの機能ブロック図である。実施の形態２に係るフォースフィードバック部の斜視図である。実施の形態４に係るフォースフィードバック部の斜視図である。実施の形態５に係る操作装置の一例を示す斜視図である。フォースフィードバック部の他の適用例である電動草刈り機を示す図である。

　〔実施の形態１〕
　以下、本願開示の操作装置の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態１では、本願開示の操作装置をゲーム用コントローラの適用する場合を例示する。図１は、本実施の形態１に係るゲーム用コントローラ（以下、単にコントローラと称する）１０の外観例を示す斜視図である。図２は、コントローラ１０の機能ブロック図である。

　図１に例示したコントローラ１０は、操作者が両手で持って操作するものであり、操作者が操作入力を行うための操作入力部１２（操作スティック１２Ａ、十字ボタン１２Ｂ、キーボタン１２Ｃ等）を有している。尚、ここでは説明の便宜上、図１に示す直交３軸（Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸）の各方向を、コントローラ１０における左右方向、前後方向および上下方向にそれぞれ対応させている。

　コントローラ１０は、図２に示すように、制御部１１、操作入力部１２、通信部１３、駆動部１４およびフォースフィードバック部１５を備えている。通信部１３は、無線または有線によってコントローラ１０がゲーム機本体（図示省略）と通信を行うための手段である。フォースフィードバック部１５は、駆動部１４からの駆動を受けて、コントローラ１０を手に持つ操作者に対して力を感得させるようなフィードバックを与える手段としてコントローラ１０に内蔵される。制御部１１は、コントローラ１０に対する全体的な制御（操作入力部１２からの入力信号に対する処理制御、通信部１３を介してのゲーム機本体との通信制御、駆動部１４の駆動制御）を行う手段である。

　コントローラ１０において、フォースフィードバック部１５は、従来のバイブレータのような単なる振動を発生させる手段ではなく、慣性力によって特定方向に力が加わることを操作者に感得させるように力を発生させることができる。本実施の形態１では、ジャイロモーメントを利用したフォースフィードバック部１５を例示する。

　図３は、フォースフィードバック部１５の斜視図である。図４は、フォースフィードバック部１５を第２軸回転モータ１５７側から見た側面図である。図５は、フォースフィードバック部１５を第１軸回転モータ１５６側から見た側面図である。

　フォースフィードバック部１５は、図３～５に示すように、ジャイロモーメントを発生させる機構の主要構成として、回転ホイール（回転体）１５１、内側フレーム（第１フレーム）１５２、中間フレーム（第２フレーム）１５３、ガイドフレーム１５４を有している。また、フォースフィードバック部１５は、図２の駆動部１４に相当する構成としてモータ（回転駆動部）１５５、第１軸回転モータ１５６および第２軸回転モータ１５７を有しており、さらに、フォースフィードバック部１５を土台１０１に固定するための支持脚１５８ａ～１５８ｄを有している。尚、モータ１５５は、回転ホイール１５１をロータとし、その内側にステータ１５５ａを配置した構成とされている。また、フォースフィードバック部１５においては、後述する中間フレーム１５３の回転軸Ｓ２を軸支する支持脚１５８ａ，１５８ｂが外側フレームの機能を有する。また、図３～５において、便宜上、フォースフィードバック部１５が取り付けられている土台１０１は平板として記載しているが、土台１０１はコントローラ１０のフレーム部材の一部であってもよい。

　回転ホイール１５１は、内側フレーム１５２によって軸支されており、かつ内側フレーム１５２に取り付けられたモータ１５５によって回転軸Ｓ１（図４，５参照）周りの回転駆動が可能となっている。また、内側フレーム１５２の両端部は、中間フレーム１５３に対して回転自在に取り付けられている。

　中間フレーム１５３は、対向配置された２つの支持脚１５８ａ，１５８ｂによって軸支されており、第１軸回転モータ１５６によって回転軸Ｓ２（第１の回動軸：図４参照）周りの回動（図５における矢印Ａ方向の回動）が可能となっている。尚、第１軸回転モータ１５６は、中間フレーム１５３の回動制御に使用されるサーボモータまたはステッピングモータであり、支持脚１５８ａにおいて固定的に取り付けられている。

　中間フレーム１５３が矢印Ａ方向に回動するとき、中間フレーム１５３に取り付けられた内側フレーム１５２、および内側フレーム１５２に軸支された回転ホイール１５１も同時に矢印Ａ方向に回動する。尚、ここでの回動とは、両方向に回転可能で角度範囲が制限されている回転運動を意味するものとする。すなわち、フォースフィードバック部１５において、中間フレーム１５３および第１軸回転モータ１５６は、回転ホイール１５１における回転軸Ｓ１の傾きを矢印Ａ方向に沿って変化させる役割を有する。

　ガイドフレーム１５４は対向配置された２つの支持脚１５８ｃ，１５８ｄによって軸支されており、第２軸回転モータ１５７によって回転軸Ｓ３（第２の回動軸：図５参照）周りの回動（図４における矢印Ｂ方向の回動）が可能となっている。尚、第２軸回転モータ１５７は、ガイドフレーム１５４の回動制御に使用されるサーボモータまたはステッピングモータであり、支持脚１５８ｃにおいて固定的に取り付けられている。

　ガイドフレーム１５４には、回転軸Ｓ３と平行な方向を長手方向とする長孔形状のガイド穴１５４ａが形成されており、ガイド穴１５４ａには回転ホイール１５１における回転軸部材の一端が挿通されている。ガイドフレーム１５４が矢印Ｂ方向に回動するとき、回転ホイール１５１は、ガイド穴１５４ａに挿通された回転軸部材を介して力を受ける。これにより、ガイドフレーム１５４が矢印Ｂ方向に回動するとき、回転ホイール１５１および内側フレーム１５２も同時に矢印Ｂ方向に回動する。すなわち、フォースフィードバック部１５において、ガイドフレーム１５４および第２軸回転モータ１５７は、回転ホイール１５１における回転軸Ｓ１の傾きを矢印Ｂ方向に沿って変化させる役割を有する。

　尚、回転ホイール１５１が矢印Ｂ方向に回動するときは、回転ホイール１５１を軸支する内側フレーム１５２が中間フレーム１５３に対して相対的に回動する。これにより、中間フレーム１５３が回転ホイール１５１の矢印Ｂ方向の回動を阻害することはない。一方、回転ホイール１５１が矢印Ａ方向に回動するときは、回転ホイール１５１の回転軸部材がガイド穴１５４ａに沿って移動する。これにより、ガイドフレーム１５４が回転ホイール１５１の矢印Ａ方向の回動を阻害することはない。

　フォースフィードバック部１５においては、回転ホイール１５１の回転軸Ｓ１がＺ軸（上下方向）と平行に配置された状態を初期状態とする。また、初期状態のフォースフィードバック部１５においては、回転軸Ｓ２がコントローラ１０におけるＸ軸およびＹ軸の一方（図３～５の例ではＸ軸）と平行に配置され、回転軸Ｓ３がＸ軸およびＹ軸の他方（図３～５の例ではＹ軸）と平行に配置されるものとする。

　上記構成のフォースフィードバック部１５では、モータ１５５によって回転ホイール１５１を高速回転させた状態で、第１軸回転モータ１５６または第２軸回転モータ１５７によって回転ホイール１５１の回転軸Ｓ１の傾きを変化させることにより、慣性的な回転力（いわゆるジャイロモーメント）を発生させることができる。

　図６～９は、フォースフィードバック部１５で発生させることのできるジャイロモーメントを説明する図である。尚、図６～９においては、第１軸回転モータ１５６または第２軸回転モータ１５７によって加えられる回動力をＦ１とし、その結果としてフォースフィードバック部１５に生じるジャイロモーメントをＦ２としている。また、このときの回転ホイール１５１の回転方向は、コントローラ１０の上側から見て反時計方向である。

　図６に示すように、第１軸回転モータ１５６によって回転軸Ｓ２周りに前回転方向（コントローラ１０の右側から見て時計方向）の回動力Ｆ１を与えた場合は、回転軸Ｓ３周りに左回転方向（コントローラ１０の後側から見て反時計方向）のジャイロモーメントＦ２が発生する。図７に示すように、第１軸回転モータ１５６によって回転軸Ｓ２周りに後回転方向（コントローラ１０の右側から見て反時計方向）の回動力Ｆ１を与えた場合は、回転軸Ｓ３周りに右回転方向（コントローラ１０の後側から見て時計方向）のジャイロモーメントＦ２が発生する。図８に示すように、第２軸回転モータ１５７によって回転軸Ｓ３周りに左回転方向の回動力Ｆ１を与えた場合は、回転軸Ｓ２周りに後回転方向のジャイロモーメントＦ２が発生する。そして、図９に示すように、第２軸回転モータ１５７によって回転軸Ｓ３周りに右回転方向の回動力Ｆ１を与えた場合は、回転軸Ｓ２周りに前回転方向のジャイロモーメントＦ２が発生する。

　尚、図６～９に示されるジャイロモーメントＦ２は、以下の式（１）にて示される。すなわち、図６～９の例に式（１）を適用する場合、軸対称な剛体（ここでは、回転ホイール１５１）が対称軸（ここでは、Ｚ軸）上の固定点または重心の点Ｏを中心として回転運動しており、剛体の対称軸周りに角速度を持たないような座標系Ｏ－ｘｙｚを考える。座標系Ｏ－ｘｙｚは、ｘ軸周りとｙ軸周りには剛体と連動して回転するが、Ｚ軸周りには回転しない中間的な座標系となる。式（１）において、剛体（回転ホイール１５１）の対称軸（Ｚ軸）周りの慣性モーメントをＩａ、ｘ，ｙ，ｚ軸周りの角速度をそれぞれωｘ，ωｙ，Ωとすると、座標系Ｏ－ｘｙｚにおいて見かけのモーメント（すなわちジャイロモーメント）Ｍｇｙｒｏ（ここでは、ジャイロモーメントＦ２）が発生する。また、ジャイロモーメントの発生原理および計算式については、例えば、非特許文献１等に開示されているように公知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

　コントローラ１０では、フォースフィードバック部１５で発生させるジャイロモーメントにより、操作者の手に力を感得させるようなフィードバックを与えることができる。上述したように、発生するジャイロモーメントは、操作者の手に対して特定の方向を有する回転力を与えるような感触となり、かつ、その方向も複数の方向に対して発生可能となる。これにより、フォースフィードバック部１５を備えたコントローラ１０は、多様なフォースフィードバックを行うことができるようになる。例えば、レーシングゲームを行っている場合に左右回転方向のジャイロモーメントを生じさせることで、ハンドルの回転反力を模することができる。

　また、上述したフォースフィードバック部１５では、回動力Ｆ１を発生させるために内側フレーム１５２、中間フレーム１５３およびガイドフレーム１５４に対する回動制御が行われるが、この回動制御の駆動源である第１軸回転モータ１５６および第２軸回転モータ１５７自体はこれらフレームと共に変位するものではない。特に、第２軸回転モータ１５７は、中間フレーム１５３の外側から内側フレーム１５２に回動力を伝える必要があるが、ガイドフレーム１５４を介して内側フレーム１５２に回動力を伝える構成とすることで第２軸回転モータ１５７を中間フレーム１５２に対して取り付ける必要がなくなる。これにより、フォースフィードバック部１５は、第１軸回転モータ１５６および第２軸回転モータ１５７の自重の影響を受けることなく、内側フレーム１５２、中間フレーム１５３およびガイドフレーム１５４を回動可能となっており、応答性の高いものとすることができる。

　〔実施の形態２〕
　本実施の形態２では、本願開示の操作装置を実施の形態１とは異なるゲーム用コントローラの適用する場合を例示する。図１０は、本実施の形態２に係るゲーム用コントローラ（以下、単にコントローラと称する）２０の外観例を示す斜視図である。図１１は、コントローラ２０の機能ブロック図である。

　図１０に例示したコントローラ２０は、長手方向を有するスティック形状をしており、操作者がスティックの一端（手元側）を片手で持ち、コントローラ自体を振り回すようにして操作するものである。また、コントローラ２０は、操作者が操作入力を行うための操作入力部２２も有しており、操作入力部２２には親指での操作が想定された操作手段２２Ａ（図１０ではボタンであるが、さらにスティックを有していてもよい）が含まれる。尚、ここでは説明の便宜上、操作手段２２Ａを上に向けた姿勢を基本姿勢とし、図１０に示す直交３軸（Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸）の各方向を、コントローラ２０における左右方向、前後方向および上下方向にそれぞれ対応させている。

　コントローラ２０は、図１１に示すように、制御部２１、操作入力部２２、動作検出センサ部２３、通信部２４、駆動部２５およびフォースフィードバック部２６を備えている。動作検出センサ部２３は、操作者によって振り回されるコントローラ２０の動きを検出する手段であり、傾きセンサや加速度センサ等のセンサ類が含まれる。コントローラ２０では、動作検出センサ部２３による検知信号が、操作者による操作入力信号として利用される。通信部２４は、無線または有線によってコントローラ２０がゲーム機本体（図示省略）と通信を行うための手段である。フォースフィードバック部２６は、駆動部２５からの駆動を受けて、コントローラ２０を手に持つ操作者に対して力を感得させるようなフィードバックを与える手段としてコントローラ２０に内蔵される。制御部２１は、コントローラ２０に対する全体的な制御（操作入力部２２からの入力信号に対する処理制御、通信部２４を介してのゲーム機本体との通信制御、駆動部２５の駆動制御）を行う手段である。

　コントローラ２０において、フォースフィードバック部２６は、従来のバイブレータのような単なる振動を発生させる手段ではなく、慣性力により特定方向に力が加わることを操作者に感得させるように力を発生させることができる。本実施の形態２では、リアクションホイールを利用したフォースフィードバック部２６を例示する。

　図１２は、フォースフィードバック部２６の斜視図である。フォースフィードバック部２６は、図１２に示すように、フライホイール（回転体）２６１と、図１１の駆動部２５に相当するサーボモータ（回転駆動部）２６２とを備えている。尚、２６２は、ステッピングモータであってもよい。

　フォースフィードバック部２６では、サーボモータ２６２によってフライホイール２６１の回転駆動を行い、フライホイール２６１の回転を加速（停止からの回転を含む）させるとき、もしくは減速（回転からの停止を含む）させるときに発生する回転反力により、操作者の手に力を感得させるようなフィードバックを与えることができる。具体的には、フライホイール２６１を加速するとき、サーボモータ２６２はフライホイール２６１の回転方向と逆向きに力を受ける。また、フライホイール２６１を減速するとき、サーボモータ２６２はフライホイール２６１の回転方向と同じ向きに力を受ける。

　コントローラ２０では、フォースフィードバック部２６をコントローラ２０の先端付近に設け、フライホイール２６１の回転軸がコントローラ２０の長手軸と直交するような配置とすることで、操作者の手に特定方向の力を与えることできる。具体的には、フライホイール２６１の回転軸を図１０のＺ軸方向（上下方向）に合わせることで、操作者の手にはＹ軸方向（左右方向）の力を与えることができる。また、フライホイール２６１の回転軸を図１０のＹ軸方向に合わせることで、操作者の手にはＺ軸方向の力を与えることができる。

　尚、フライホイール２６１の加速または減速は、これを継続的に行うことも断続的に行うことも可能である。これにより、例えば、釣りゲームを行っている場合の吊り竿の引きを模することができる。また、フライホイール２６１の加速度の大小により、操作者の手に与えられる力の大小も変化する。さらに、コントローラ２０では、図１０に示すように、フライホイール２６１の回転軸の向きが互いに異なる（より詳細には、回転軸のそれぞれが直交する）フォースフィードバック部２６が複数内蔵されていてもよい。この場合、1つのコントローラ２０において、様々な方向の力を発生させることができる。

　また、本実施の形態２では、リアクションホイールを利用したフォースフィードバック部２６を片手持ちタイプのコントローラ２０に搭載する場合を例示したが、フォースフィードバック部２６を両手持ちタイプのコントローラ２０に搭載することも可能である。同様に、ジャイロモーメントを利用したフォースフィードバック部１５は、両手持ちタイプのコントローラ１０だけでなく片手持ちタイプのコントローラ２０に搭載することも可能である。また、ジャイロモーメントを利用したフォースフィードバック部１５において、回転ホイール１５１の回転数を増減させることで、リアクションホイールとしての機能を実現することも可能である。この場合、ジャイロモーメントによる２軸に、リアクションホイールによる１軸を加え、３軸の回転力を得ることができる。さらには、フォースフィードバック部１５または２６を、操作者の身体に直接装着させるようなタイプのコントローラに搭載することも可能である。装着タイプのコントローラとしては、例えば、グローブのように操作者の手に嵌めて使用するコントローラ等が考えられる。

　〔実施の形態３〕
　上記実施の形態１，２では、回転体（回転ホイール１５１またはフライホイール２６１）に対しては、これを回転駆動する駆動部（モータ１５５またはサーボモータ２６２）のみを組み合わせる構成を例示した。しかしながら、本願開示はこれに限定されるものではなく、回転体に対して、その回転を急激に停止させるブレーキを組み合わせることも可能である。この場合に使用されるブレーキには、ＭＲ流体（磁気粘性流体）ブレーキやＥＲ流体（電気粘性流体）ブレーキが好適に使用できる。

　例えば、実施の形態２において説明したフォースフィードバック部２６において、フライホイール２６１の回転軸に対してブレーキ（図示省略）を取り付ける構成が考えられる。この構成では、フライホイール２６１を高速回転させ、その回転をブレーキによって瞬時に停止させることにより、衝撃に近い感触を操作者に体感させることができる。これにより、例えば、テニスゲームを行っている場合のボールを打ち返す（ラケットにボールが当たる）感覚を模することができる。

　尚、ブレーキを用いての回転停止による衝撃体感は、実施の形態１において説明したフォースフィードバック部１５においても適用可能である。この場合のブレーキは、回転軸Ｓ１～Ｓ３の何れに対しても設けることが可能であるが、特に、回転軸Ｓ１に対して設けることが好適である。すなわち、回転軸Ｓ１は回転ホイール１５１の回転軸であり、これにブレーキを設けることで高速回転する回転ホイール１５１を瞬時に停止させ、衝撃に近い感触を生じさせることができる。

　〔実施の形態４〕
　本実施の形態４では、モーメンタムホイールとして利用可能なフォースフィードバック部３１を例示する。モーメンタムホイールでは、高速に回転するホイールがその回転軸を保持しようとする作用を生じる。

　図１３は、フォースフィードバック部３１の斜視図である。フォースフィードバック部３１は、図１３に示すように、回転ホイール（回転体）３１１、内側フレーム（第１フレーム）３１２、中間フレーム（第２フレーム）３１３、外側フレーム（第３フレーム）３１４、モータ（回転駆動部）３１５、第１軸回転モータ３１６および第２軸回転モータ３１７を有している。モータ３１５は、回転ホイール３１１をロータとし、その内側にステータ３１５ａを配置した構成とされている。第１軸回転モータ３１６および第２軸回転モータ３１７には、サーボモータまたはステッピングモータが使用される。

　フォースフィードバック部３１において、内側フレーム３１２は、回転ホイール３１１を回転軸Ｓ１周りの回転が可能となるように支持する。また、回転ホイール３１１を回転駆動するためのモータ３１５も内側フレーム３１２において固定される。中間フレーム３１３は、内側フレーム３１２を回転軸Ｓ２（第１の回動軸）周りの回動が可能となるように支持する。また、内側フレーム３１２を中間フレーム３１３に対して回動変位させるための第１軸回転モータ３１６も中間フレーム３１３において固定される。外側フレーム３１４は、中間フレーム３１３を回転軸Ｓ３（第２の回動軸）周りの回動が可能となるように支持する。また、中間フレーム３１３を外側フレーム３１４に対して回動変位させるための第２軸回転モータ３１７も外側フレーム３１４において固定される。

　フォースフィードバック部３１では、モータ３１５によって回転ホイール３１１を高速回転させることで、回転軸Ｓ１の向き（傾き）を保持しようとする慣性力を発生させることができる。このフォースフィードバック部３１を、例えばゲーム用コントローラ（コントローラ１０または２０）に搭載する場合は、外側フレーム３１４をコントローラのフレーム部材に固定するように取り付ける。

　フォースフィードバック部３１を搭載したコントローラでは、フォースフィードバック部３１の作動中（回転ホイール３１１の回転中）に操作者によってコントローラが動かされたとき（少なくともコントローラを回動変位させる動きを含む）、コントローラの動きに対して回転軸Ｓ１の向きを元に戻そうとする方向の慣性力が発生し、この慣性力が操作者に対するフォースフィードバックとなる。すなわち、上述したフォースフィードバック部１５，２６では、ジャイロモーメントやリアクションホイールの作用によってコントローラ側から能動的にフォースフィードバックを行うことができるが、モーメンタムホイールの作用によるフォースフィードバック部３１は、コントローラに対して操作者側から動きが加えられた場合において、受動的なフォースフィードバックを行うことができる。

　また、フォースフィードバック部３１では、第１軸回転モータ３１６によって内側フレーム３１２を回動させたり、第２軸回転モータ３１７によって中間フレーム３１３を回動させたりすることで、回転軸Ｓ１の向きを変えることが可能である。すなわち、フォースフィードバック部３１を搭載したコントローラにおいては、保持しようとする回転軸Ｓ１の向きを、任意の向きに設定することが可能である。

　また、上述したフォースフィードバック部１５，１６においても、回転ホイール１５１やフライホイール２６１を高速回転させることで、モーメンタムホイールとして機能させることは可能である。

　〔実施の形態５〕
　上記実施の形態１～４では、本願開示の操作装置をゲーム用コントローラに適用する場合を例示した。しかしながら、本願開示の操作装置の適用はゲーム用コントローラに限定されるものでなく、他に様々な機器に適用することが可能である。

　一例として、ハンディドリル等の電動工具において、ジャイロモーメントを利用したフォースフィードバック部１５を適用することが可能である。ハンディドリルによる穴あけ作業では、ドリルの回転軸の角度を変化させないように姿勢保持することが重要である。この場合のフォースフィードバック部１５は、回転ホイール１５１の回転軸Ｓ１がドリルの回転軸と平行になるように配置し、ハンディドリルの姿勢がずれた場合（ドリルの回転軸が傾いた場合）に、フォースフィードバック部１５に上述したジャイロモーメントを発生させ、そのずれを補正する回転力とすることができる。

　また、他の例として、図１５に示すような電動草刈り機にフォースフィードバック部１５を適用することも考えられる。この場合、草を刈る回転ディスクに対して支点（ディスクの回転中心）を中心に前後に首を振る力Ｆ１を与えることで、回転ディスクを左右に振る力Ｆ２を発生させることができ、作業のサポートとなる力を得ることができる。具体例としては、ディスクが前後に首をふるようなアクチュエータをディスク部分に取り付けてディスクのみ前後に振らせると、体に接触する部分を支点にディスクが左右に振れるようにすることができる。

　今回開示した実施形態は全ての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本願開示の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれる。

　本出願は、２０２２年１０月２７日に日本特許庁に出願された日本国特許出願第２０２２－１７２６５４号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０２２－１７２６５４号の全内容を参照により本出願に援用する。

１０，２０　　ゲーム用コントローラ（操作装置）
１１，２１　　制御部
１２，２２　　操作入力部
１３，２４　　通信部
１４，２５　　駆動部
１５，２６，３１　　フォースフィードバック部
１５１　　回転ホイール（回転体）
１５２，３１２　　内側フレーム（第１フレーム）
１５３，３１３　　中間フレーム（第２フレーム）
１５４　　ガイドフレーム
１５５，３１５　　モータ（回転駆動部）
１５６，３１６　　第１軸回転モータ
１５７，３１７　　第２軸回転モータ
１５８ａ～１５８ｄ　　支持脚
２３　　動作検出センサ部
２６１　　フライホイール（回転体）
２６２　　サーボモータ（回転駆動部）
３１４　　外側フレーム（第３フレーム）

Claims

　操作者が所持または装着して、操作対象の操作の用に供する操作装置であって、
　回転軸を回転中心として回転する回転体と、
　前記回転体を、前記回転軸を中心に回転させる回転駆動部とを備えることを特徴とする操作装置。
　請求項１に記載の操作装置であって、
　前記回転軸を中心として回転している前記回転体を、前記回転軸に直交する第１の回動軸を中心に回動可能であることを特徴とする操作装置。
　請求項２に記載の操作装置であって、
　前記回転軸を中心として回転している前記回転体を、前記回転軸および前記第１の回動軸の両方に直交する第２の回動軸を中心に回動可能であることを特徴とする操作装置。
　請求項３に記載の操作装置であって、
　前記回転体を、前記回転軸を回転中心として回転可能に支持する第１フレームと、
　前記第１フレームを、前記第２の回動軸を回動中心として回動可能に支持するとともに、前記第１の回動軸を回動中心として回動可能である第２フレームと、
　前記第１の回動軸を回動中心として回動可能であり、自身の回動を前記第１フレームに伝達することで、前記第１フレームを前記第２の回動軸を回動中心として回動させることが可能であるガイドフレームとを備えることを特徴とする操作装置。
　請求項２から４の何れか１項に記載の操作装置であって、
　前記回転駆動部は、前記回転体の回転方向および回転速度を制御可能であることを特徴とする操作装置。
　請求項１に記載の操作装置であって、
　前記回転駆動部は、前記回転体の回転方向および回転速度を制御可能であり、
　前記回転体として、前記回転軸がそれぞれ直交する複数の回転体を備えることを特徴とする操作装置。
　請求項３に記載の操作装置であって、
　前記回転体を、前記回転軸を回転中心として回転可能に支持する第１フレームと、
　前記第１フレームを、前記第１の回動軸を回動中心として回動可能に支持する第２フレームと、
　前記第２フレームを、前記第２の回動軸を回動中心として回動可能に支持する第３フレームとを備えることを特徴とする操作装置。