JP6126047B2 - 加速度発生装置 - Google Patents
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[第1実施形態]
図1Aおよび図1Bに例示するように、第1実施形態の加速度発生装置1は、例えば、力覚指定部11、振動子12、および制御部13を有する。
力覚指定部11および制御部13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11および制御部13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。
振動子12は、例えば、支持部121、ばね122,123(弾性体)、コイル124、永久磁石125(運動部材)、およびケース126を有する。本形態のケース126および支持部121は、ともに筒(例えば、円筒や多角筒)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。
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「特許第4551448号公報」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。
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4に図3Bに示した加速度のFFT周波数解析結果を示す。図4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。なお、80Hzまたはその付近の周波数成分を持つ加速度運動は、前述のように40Hzの周波数成分を含む電流をコイル124に流した場合だけではなく、40Hz近傍の周波数成分を含む電流や、80Hzまたは80Hz近傍の周波数成分をコイル124に流した場合にも実現できる。80Hzの約数(80Hzだけではなく、例えば、5Hzや10Hzや20Hz等)または80Hzの約数の近傍の周波数成分をコイル124に流した場合にも実現できる。要は、周期に占める第1の期間の割合が第2の期間の割合と異なり、支持部121に対する永久磁石125(運動部材)の周期的な加速度運動の周波数が80Hzまたは80Hz近傍の周波数成分を含むようになる電流をコイル124に流せばよい。言い換えると、周期に占める第1の期間の割合が第2の期間の割合と異なり、ケース126の周期的な加速度運動の周波数が80Hzまたは80Hz近傍の周波数成分を含むようになる電流をコイル124に流せばよい。なお、「αの近傍」とは、正値β,γ(例えば、β=0.9×αかつγ=1.1×α等)に対してβ以上γ以下の範囲に属する値を意味する。例えば、「80Hz近傍」の周波数は15Hzよりも大きい。
t1:1,3,5,7,9,12,15[msec]
t2:12,18,23,33,43[msec]
からなる組み合わせのうち、t1<t2となる組み合わせからなる、計33条件の反転比t1:t2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5の横軸は電流の周波数(1/(t1+t2))を表し、縦軸は分数表記した反転比(t2/t1)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5に示すように、この計33条件に限定した場合、40Hzまたはその近傍の周期の電流を用いることで明瞭な方向性を持つ力覚を提示できることが分かる。特に、右下がりの直線L(傾きが負の直線)に沿った楕円領域E((1/(t1+t2),t2/t1)=(40,18/7)を含む)に最適なパラメータが分布していることが分かる。言い換えると、第1の座標軸(横軸)と第2の座標軸(縦軸)とから定義される2次元座標上で、電流の周波数成分(1/(t1+t2))を第1の座標軸の値とし、第1の期間の割合および第2の期間の割合のうち小さいほうの割合に対する大きい方の割合の比(t2/t1)を第2の座標軸の値とする第1の座標が、2次元座標上の楕円領域Eに含まれるようにすることが望ましい。ただし、楕円領域Eは、第1の座標軸の値を40Hzとし、2次元座標の値を18/7とした第2の座標を含み、かつ、第1の座標軸の値が大きいほど第2の座標軸の値が小さくなる2次元座標上の直線Lに偏った領域である。
本形態では、永久磁石125(運動部材)に所望の方向の加速度を与える向きの電流をコイルに流す第1の期間と、それ以外の第2の期間と、を周期的に繰り返す。ただし、周期に占める第1の期間の割合が第2の期間の割合と異なり、ケース126の周期的な加速度運動の周波数が80Hzまたは80Hz近傍の周波数成分を含むような電流をコイル124に流す。これにより、擬似的な力覚を明確に提示できる。また、加速度発生装置1(または振動子12)の共振周波数が80Hzまたは80Hz近傍とすることにより、効率的に擬似的な力覚を明確に提示できる。
本形態と非特許文献1との比較実験結果を示す。実験では、本形態の振動子12(A)および非特許文献1で使われた別の振動子(B)が、それぞれΦ40mm×17mmのABS樹脂製の円筒ケース内に固定された。円筒ケースの表面には紙ヤスリ(#1000)が貼り付けられ、表面の荒さが一定になるように統制した。振動子12(A)の共振周波数を約60Hzとし、振動子(B)の共振周波数を約250Hzとした。比較実験には、25〜49歳の右利き9名の実験協力者が実験に参加した。着座している実験協力者にはそれぞれの区間で円筒ケースが手渡され、左右方向の振動刺激が提示された。実験協力者は円筒の上面を利き手の親指で、下面を人差し指でつまむように持った。円筒ケースをもっている手や腕は固定せず、自由に動かすことを許可した。振動子12(A)と非特許文献1で使われた別の振動子(B)とをそれぞれ2つの反転比(2msec:6msec、7msec:18msec)で駆動させ、計4条件に対して一対比較(サーストンの一対比較法)を行った。すなわち、4条件から選択した2条件についてそれぞれ一対比較を行った。1試行は一対比較される2条件から構成された。実験協力者はその2条件のうち、より明瞭に力の方向の変化を感じた条件の方を回答した。各条件では振動刺激が4秒間提示され、1秒ごとに方向を逆転させた。一対比較される2条件の刺激の提示順序はランダムとした。ただし、刺激の提示順序による影響が相殺されるよう、一対比較される2条件の刺激をランダムな順序で提示する試行とそれらの刺激を逆の順序で提示する試行とを行った(すなわち、一対比較される2条件ごとに合計2試行を行った)。なお、すべての条件でアンプのゲインは同一とした。また、実験参加者の反応に関するフィードバックは与えられなかった。また、実験は実験参加者が閉眼した状態で行われた。
第1実施形態の加速度発生装置1(図1Aおよび図1B)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の加速度発生装置2の振動子22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。加速度発生装置2のその他の構成は、第1実施形態の加速度発生装置1と同じである。第1実施形態と共通する部位については、第1実施形態と同じ参照符号を用いている。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、第1実施形態の加速度発生装置1と同じである。
あるいは、図8の加速度発生装置3の振動子32のように、第1実施形態の加速度発生装置1(図1Aおよび図1B)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A1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B1方向(A1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。加速度発生装置3のその他の構成は、第1実施形態の加速度発生装置1と同じである。第1実施形態と共通する部位については、第1実施形態と同じ参照符号を用いている。
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、上述の実施形態では、支持部に弾性体の一端が支持され、この弾性体の他端に周期的な加速度運動を行う永久磁石(運動部材)が支持され、支持部に固定されたコイルに電流を流すことによって永久磁石に加速度を与えていた。しかしながら、非特許文献1のように、支持部に永久磁石が固定され、その支持部に弾性体の一端が支持され、この弾性体の他端に周期的な加速度運動を行う運動部材が支持され、運動部材に固定されたコイルに電流を流すことによって運動部材に加速度が与えられてもよい。これによっても、運動部材は、支持部に対して周期的な加速度運動(支持部を基準とした軸方向に偏加速度をもった周期的な並進往復運動)を行うことができ、それによって擬似的な力覚を提示することができる。また、運動部材に弾性力を与えるばね等の弾性体の個数に限定はなく、1個の弾性体によって運動部材に弾性力が与えられてもよいし、3個以上の弾性体によって運動部材に弾性力が与えられてもよい。
11 力覚指定部
12〜32 振動子
13 制御部
Claims (4)
- 支持部と、
前記支持部に一端が支持された弾性体と、
前記弾性体の他端に支持され、前記支持部に対して周期的な加速度運動を行う運動部材と、
流された電流に応じた加速度を前記運動部材に与えるコイルと、を有し、
前記運動部材に所望の方向の加速度を与える向きの電流を前記コイルに流す第1の期間と、それ以外の第2の期間と、を周期的に繰り返し、
周期に占める前記第1の期間の割合が前記第2の期間の割合と異なり、
前記周期的な加速度運動の周波数は80Hzまたは80Hz近傍の周波数成分を含み、
第1の座標軸と第2の座標軸とから定義される2次元座標上で、前記加速度運動の周波数成分を前記第1の座標軸の値とし、前記第1の期間の割合および前記第2の期間の割合のうち小さいほうの割合に対する大きい方の割合の比を前記第2の座標軸の値とする第1の座標は、前記2次元座標上の楕円領域に含まれ、
前記楕円領域は、第2の座標を含み、かつ、前記第1の座標軸の値が大きいほど前記第2の座標軸の値が小さくなる前記2次元座標上の直線に偏った領域であり、
前記第2の座標の前記第1の座標軸の値は80Hzの約数であり、前記第2の座標の前記第2の座標軸の値は18/7である、加速度発生装置。 - 支持部と、
前記支持部に一端が支持された弾性体と、
前記弾性体の他端に支持され、前記支持部に対して周期的な加速度運動を行う運動部材と、
流された電流に応じた加速度を前記運動部材に与えるコイルと、を有し、
前記運動部材に所望の方向の加速度を与える向きの電流を前記コイルに流す第1の期間と、それ以外の第2の期間と、を周期的に繰り返し、
周期に占める前記第1の期間の割合が前記第2の期間の割合と異なり、
前記周期的な加速度運動の周波数は80Hzまたは80Hz近傍の周波数成分を含み、
前記電流は40Hzまたは40Hz近傍の周波数成分を含み、
第1の座標軸と第2の座標軸とから定義される2次元座標上で、前記電流の周波数成分を前記第1の座標軸の値とし、前記第1の期間の割合および前記第2の期間の割合のうち小さいほうの割合に対する大きい方の割合の比を前記第2の座標軸の値とする第1の座標は、前記2次元座標上の楕円領域に含まれ、
前記楕円領域は、第2の座標を含み、かつ、前記第1の座標軸の値が大きいほど前記第2の座標軸の値が小さくなる前記2次元座標上の直線に偏った領域であり、
前記第2の座標の前記第1の座標軸の値は40Hzであり、前記第2の座標の前記第2の座標軸の値は18/7である、加速度発生装置。 - 請求項1の加速度発生装置であって、
前記電流は80Hzの約数または80Hzの約数の近傍の周波数成分を含む、加速度発生装置。 - 請求項1から3の何れかの加速度発生装置であって、
共振周波数が80Hzまたは80Hz近傍である、加速度発生装置。
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