JP6293687B2 - 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。

ユーザが把持する振動子を所定の特性をもつ駆動信号で振動させると、ユーザにある特定方向への牽引力感覚（力錯覚、擬似力覚）を与えることができる。この特性を利用し、ユーザが感じる牽引力感覚の方向を制御してユーザを目標位置へ誘導（ナビゲーション）する装置（ぶるなび）がある（例えば、非特許文献１，２参照）。

T Amemiya and H Gomi, "Buru-Navi3: Behavioral Navigation Using an Illusory Pulled Sensation Created by a Thumb-Sized Vibrator", SIGGRAPH2014. 雨宮智浩、高椋慎也、伊藤翔、五味裕章、"指でつまむと引っ張られる感覚を生み出す装置「ぶるなび３」"、NTT技術ジャーナル 2014. 9.

しかしながら、このような刺激を継時的に与え続けた場合、力錯覚の方向知覚が劣化することがある。本発明の課題は、明瞭な力錯覚を継時的に知覚させることである。

上記課題を解決するために、支持部と、当該支持部に対して非対称加速度運動および非対称角加速度運動の少なくとも一方を行う運動部材と、を有し、当該支持部に対する前記運動部材の加速度波形および角加速度波形の少なくとも一方が変化する擬似力覚発生装置が提供される。

これにより、明瞭な力錯覚を継時的に知覚させることができる。

図１は実施形態の擬似力覚発生装置の構成を例示した図である。 図２Ａおよび図２Ｂは実施形態の運動機構を例示した図である。 図３Ａは非対称振動波形発生モジュールの出力波形を例示した図であり、図３Ｂは振幅制御モジュールの出力波形を例示した図であり、図３Ｃは運動機構に与えられる制御信号の波形を例示した図である。 図４Ａは非対称振動波形発生モジュールでの出力波形を例示した図であり、図４Ｂは振幅制御モジュールでの出力波形を例示した図であり、図４Ｃは運動機構に与えられる制御信号の波形を例示した図である。 図５Ａは非対称振動波形発生モジュールでの出力波形を例示した図であり、図５Ｂは振幅制御モジュールでの出力波形を例示した図であり、図５Ｃは運動機構に与えられる制御信号の波形を例示した図である。 図３Ａは非対称振動波形発生モジュールでの出力波形を例示した図であり、図３Ｂは振幅制御モジュールでの出力波形を例示した図であり、図３Ｃは運動機構に与えられる制御信号の波形を例示した図である。 図７は実験結果を例示した図である。 図８Ａおよび図８Ｂは運動機構の変形例を示した図である。 図９Ａおよび図９Ｂは運動機構の変形例を示した図である。

以下、本発明の実施形態を説明する。
［原理］
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、擬似的な力覚を呈示したい方向へ大きな加速度かつ短時間で移動し、逆の方向へは小さな加速度かつ長時間で移動する、偏加速度をもった周期運動（非対称加速度運動、すなわち非対称振動）であるものとする。すなわち、この物体の正方向の加速度の絶対値の最大値と負方向の加速度の最大値とが異なり、当該最大値が大きい方向の加速度をもつ時間が、当該最大値が小さい方向の加速度をもつ時間よりも短い。この場合、この物体を含む系を把持しているユーザは、この呈示方向への擬似的な力覚（並進力覚）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４４１３１０５号公報」、参考文献２「特許第４５５１４４８号公報」、参考文献３「特許第４６５８９８３号公報」、参考文献４「特許５１５８８７９号公報」等参照）。このような現象は、例えば物体の加速度とその加速度を人体に加えた際に人体の知覚する加速度との関係を示すＳ字型曲線の傾きが当該の正方向の加速度の最大値点と負方向の加速度の最大値点とで異なる場合に顕著となる。また、このような現象は並進運動する物体に限られたものではなく、ある質量をもった物体が回転運動する場合にも生じ得る。すなわち、この物体が特定の回転方向の角加速度で回転する期間と、その逆回転方向の角加速度で回転する期間と繰り返す周期的な運動を行う場合、当該特定の回転方向の角加速度で回転する期間での角加速度の時間変化と、その逆回転方向の角加速度で回転する期間での角加速度の時間変化とを非対称とすることで（非対称角加速度運動、すなわち非対称回転）、当該特定の回転方向と逆回転方向に回転するような擬似的な力覚（回転力覚）を呈示できる（例えば、参考文献５「特許５４５８００５号公報」、参考文献６「特開２０１２−１４３０５４号公報」等参照）。また、物体の重心からずれた位置で物体を上述のように並進運動させることで回転力覚を呈示することもできる。さらに並進運動と回転運動とを組み合わせることで多自由度の擬似的な力覚を呈示することも可能である。なお「疑似的な力覚」および「力錯覚」とは、実際には物体（擬似力覚発生装置）が並進運動および／または回転運動をしていないにも関わらず、あたかも並進方向へ動きそうな力、および／または、回転方向へ回転しそうな力が働いているように知覚することをいう。

しかしながら、上述のような物体の非対称振動および／または非対称回転による刺激が人体に継続的に与えられた場合、継時的な刺激に対する皮膚感覚の適応等が起こり、力覚錯覚（疑似的な力覚）の方向知覚が劣化することがある。

各実施形態では、力錯覚の方向知覚の劣化を抑制し、明瞭な力錯覚を継時的に知覚させるために、支持部と、当該支持部に対して「非対称加速度運動」および「非対称角加速度運動」の少なくとも一方を行う運動部材と、を有し、当該支持部に対する当該運動部材の「加速度波形」および「角加速度波形」の少なくとも一方が変化する、擬似力覚発生装置を用いる。擬似力覚発生装置は、「非対称加速度運動」によって並進力覚のみを知覚させるものであってもよいし、「非対称角加速度運動」によって回転力覚のみを知覚させるものであってもよいし、「非対称加速度運動」および「非対称角加速度運動」によって並進力覚および回転力覚の両方を知覚させるものであってもよい。「加速度波形」および「角加速度波形」の少なくとも一方の変化は、連続的であってもよいし、非連続的であってもよい。また「加速度波形」が「非対称加速度運動」の周期よりも長い周期で変化する波形であってもよいし、「角加速度波形」が「非対称角加速度運動」の周期よりも長い周期で変化する波形であってもよい。このような「加速度波形」を持つ加速度運動および「角加速度波形」を持つ角加速度運動は、例えば、包絡線が極小値および極大値の少なくとも一方を持つ制御信号（制御電圧または制御電流）の大きさに応じた力が運動部材に与えられることで実現できる。「加速度波形」および「角加速度波形」の少なくとも一方が変化した場合、呈示される擬似的な力覚も時間変化する。これにより、皮膚感覚の適応による感覚の減弱を防ぎ、力錯覚を明瞭に持続させることができる。

具体的には、例えば、運動部材が支持部に対して間欠的に「非対称加速度運動」および「非対称角加速度運動」の少なくとも一方を行ってもよい。すなわち、所望の「擬似的な力覚」を呈示するための非対称運動（「非対称加速度運動」および「非対称角加速度運動」の少なくとも一方）を行う「時間区間Ａ」と、「非対称運動」を行わない「時間区間Ｂ」とを交互に繰り返してもよい。これにより、運動開始時の過渡的な皮膚変形に対する感覚変化を利用し、方向が明瞭な力錯覚を持続させることができる。「時間区間Ｂ」は周期的に現われてもよいし、非周期的に現われてもよい。継続的な力錯覚を呈示するという観点からは、「時間区間Ａ」は「時間区間Ｂ」よりも長いことが望ましい。ただし、「時間区間Ａ」が「時間区間Ｂ」以下であってもかまわない。「時間区間Ｂ」の長さは一定であってもよいし、一定でなくてもよい。全体の時間区間に占める「時間区間Ａ」に対する「時間区間Ｂ」の割合は一定であってもよいし、一定でなくてもよいし、この割合が制御可能であってもよい。「時間区間Ｂ」では、運動部材が支持部に対し、「時間区間Ａ」よりも振幅（または平均振幅）の小さな「加速度波形」および／または「角加速度波形」で振動および／または回転してもよいし、振動および／または回転を停止してもよい。あるいは「時間区間Ｂ」で、運動部材が支持部に対し、両振動方向の加速度変化が略同一の振動（対称加速度運動）、および／または、両回転方向の角加速度変化が略同一の回転（対称角加速度運動）を行ってもよい。

あるいは、例えば、「加速度波形」および「角加速度波形」の少なくとも一方の振幅スケールが時間変化してもよい。すなわち、「加速度波形」の振幅が「非対称加速度運動」の周期よりも長い周期で増減してもよいし、「角加速度波形」の振幅が「非対称角加速度運動」の周期よりも長い周期で増減してもよい。振幅スケールの時間変化は、時間の進行に対して連続的（滑らか）であってもよいし、不連続的であってもよい。すなわち、「加速度波形」および／または「角加速度波形」の振幅の時間変化は、時間の進行に対して連続的であってもよいし、不連続的であってもよい。振幅スケールの時間変化によって、上述の「時間区間Ａ」と「時間区間Ｂ」とが繰り返されてもよいし、「時間区間Ａ」内で擬似的な力覚の強さが増減してもよい。このような制御でも、運動開始時または運動変化時の過渡的な皮膚変形に対する感覚変化を利用し、方向が明瞭な力錯覚を持続させることができる。

「時間区間Ｃ（第１時間区間）」で第１方向（所望の方向）および第１回転方向（所望の回転方向）の少なくとも一方へ擬似的な力覚を呈示し、「時間区間Ｄ（第２時間区間）」で第２方向および第２回転方向の少なくとも一方へ擬似的な力覚を呈示してもよい。ただし、「第２方向」は「第１方向」の逆方向であり、「第２回転方向」は「第１回転方向」の逆回転方向である。「時間区間Ｃ」と「時間区間Ｄ」とを交互に繰り返してもよい。「時間区間Ｄ」は「時間区間Ｃ」よりも短いことが望ましい。これにより、第１方向をコードする感覚受容器Ｓ１とは異なる第２方向をコードする感覚受容器Ｓ２に短期間の刺激を与えることができ、刺激に対するコントラスト効果を高めることができるとともに、感覚受容器Ｓ１に対して間欠的に刺激を与えることになる。その結果、皮膚感覚の適応による感覚の減弱を防ぎ、さらに刺激開始時の過渡的な皮膚変形に対する感覚変化を利用し、方向が明瞭な力錯覚を持続させることができる。「時間区間Ｄ」の長さは一定であってもよいし、一定でなくてもよい。全体の時間区間に占める「時間区間Ｃ」に対する「時間区間Ｄ」の割合は一定であってもよいし、一定でなくてもよいし、この割合が制御可能であってもよい。「時間区間Ｃ」から「時間区間Ｄ」への「加速度波形」および／または「角加速度波形」の振幅の時間変化は、連続的であってもよいし、非連続的であってもよい。同様に、「時間区間Ｄ」から「時間区間Ｃ」への「加速度波形」および／または「角加速度波形」の振幅の時間変化は、連続的であってもよいし、非連続的であってもよい。「時間区間Ｄ」で呈示する擬似的な力覚の大きさは、「時間区間Ｃ」で呈示する擬似的な力覚の大きさよりも小さいことが望ましい。例えば、「時間区間Ｃ」では「加速度波形」および「角加速度波形」の少なくとも一方の振幅を第１値以上とし、「時間区間Ｄ」では「加速度波形」および「角加速度波形」の少なくとも一方の振幅を第１値よりも小さな第２値以下とする。ただし、「時間区間Ｄ」が「時間区間Ｃ」よりも十分に短い場合には、「時間区間Ｄ」で呈示する擬似的な力覚の大きさが「時間区間Ｃ」で呈示する擬似的な力覚の大きさ以上となってもよい。また、「時間区間Ｄ」で呈示する擬似的な力覚の大きさが、「時間区間Ｃ」で呈示する擬似的な力覚の大きさよりも十分に小さいのであれば、「時間区間Ｄ」を「時間区間Ｃ」よりも長くしてもよい。

［第１実施形態］
次に、図面を用いて第１実施形態を説明する。
＜構成＞
図１に例示するように、本形態の擬似力覚発生装置１は、非対称波形発生部１１、運動機構１２、振幅制御部１３、合成部１４、および駆動アンプ１５を有する。

非対称波形発生部１１、振幅制御部１３、および合成部１４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）およびＲＡＭ（random-access memory）・ＲＯＭ（read-only 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が所定のプログラムを実行することで構成される装置である。このコンピュータは１個のプロセッサやメモリを備えていてもよいし、複数個のプロセッサやメモリを備えていてもよい。このプログラムはコンピュータにインストールされてもよいし、予めＲＯＭ等に記録されていてもよい。また、ＣＰＵのようにプログラムが読み込まれることで機能構成を実現する電子回路（circuitry）ではなく、プログラムを用いることなく処理機能を実現する電子回路を用いて一部またはすべての処理部が構成されてもよい。また、１個の装置を構成する電子回路が複数のＣＰＵを含んでいてもよい。駆動アンプ１５は、入力電圧を増幅して出力する装置である。

図２Ａおよび図２Ｂに例示するように、運動機構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。

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（すなわち、支持部１２１にばね１２２の一端が支持され）、ばね１２２の他端は永久磁石１２５の端部１２５ａに固定されている（すなわち、永久磁石１２５の端部１２５ａがばね１２２の他端に支持されている）。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（すなわち、支持部１２１にばね１２３の一端が支持され）、ばね１２３の他端は永久磁石１２５の端部１２５ｂに固定されている（すなわち、永久磁石１２５の端部１２５ｂがばね１２３の他端に支持されている）。

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。

＜動作＞
コイル１２４は、流された電流に応じた加速度（力）を永久磁石１２５に与え、これにより、永久磁石１２５は、支持部１２１に対して周期的な加速度運動（支持部１２１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。すなわち、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１Ａ）。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１Ｂ）。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（支持部１２１を基準とした軸方向の位置および加速度）を変化させることができる。

ここで、永久磁石１２５に所望の方向（Ｃ_１方向またはＣ_２方向）の加速度を与える向きの電流を流す電圧の「制御信号」をコイル１２４に加える「第１の期間（時間）」と、それ以外の「第２の期間」と、を周期的に繰り返す。これにより、永久磁石１２５に「制御信号」に応じた力が与えられる。その際、「第１の期間」と「第２の期間」との比（反転比）を何れか一方の期間に偏らせる。言い換えると、１つの周期に占める「第１の期間」の割合が当該周期に占める「第２の期間」の割合と異なる周期的な「制御信号」をコイル１２４に加える。これにより、永久磁石１２５が支持部１２１に対して「非対称加速度運動」を行い、所望の方向に擬似的な力覚を呈示できる。「第１の期間」と「第２の期間」とからなる周期を「基本周期」と呼ぶことにする。本形態ではさらに、「制御信号」の包絡線が極小値および極大値の少なくとも一方を持つように制御する。これにより、支持部１２１に対する永久磁石１２５の加速度波形が変化する。例えば、「制御信号」の振幅が間欠的であってもよいし、「制御信号」の振幅が連続的（滑らか）に増減してもよい。前者の場合、「制御信号」の振幅が連続して正となる期間およびそれ以外の期間の長さは、それぞれ「基本周期」よりも長い。これらの期間は周期的に繰り返されてもよいし、非周期的に繰り返されてもよい。これにより、永久磁石１２５は、支持部１２１に対して間欠的に「非対称加速度運動」を行う。後者の場合、周期的または非周期的に「制御信号」の振幅を増減させる。周期的に「制御信号」の振幅を増減させる場合の周期は「基本周期」よりも長い。これにより、「加速度波形」の振幅スケールが時間変化する。このような制御により、皮膚感覚の適応による感覚の減弱を防ぎ、さらに振動開始時または振動変動時の過渡的な皮膚変形に対する感覚変化を利用して、方向が明瞭な力覚錯覚を持続させることができる。以下に具体例を示す。

《制御信号を間欠的に加える例》
非対称波形発生部１１は、「第１の期間」と「第２の期間」との反転比を何れか一方の期間に偏らせた電位波形を持つ第１信号を出力する。例えば、「第１の期間」および電圧が負となる「第２の期間」をそれぞれ７ｍｓおよび１８ｍｓとする（図３Ａ）。振幅制御部１３は、電圧が正の期間と電圧が０の期間とを周期的に繰り返す間欠的な電位波形を持つ第２信号を出力する。この周期は「基本周期」よりも長い。例えば、電圧が正の期間を０．５〜１．５ｓとし、電圧が０の期間を０．２〜１．０ｓとする（図３Ｂ）。第１信号と第２信号は合成部１４で乗算合成され、それによって得られた「乗算合成信号」（図３Ｃ）が駆動アンプ１５に入力される。駆動アンプ１５は「乗算合成信号」を増幅した「制御信号」を運動機構１２のコイル１２５ａ，１２５ｂに与える。例えば、「第１の期間」および「第２の期間」をそれぞれ７ｍｓおよび１８ｍｓとして繰り返す非対称信号を０．５ｓだけコイル１２５ａ，１２５ｂに与えた後、このような非対称信号を０．２５ｓ停止する制御を繰り返す。これにより、永久磁石１２５は、支持部１２１に対して間欠的な「非対称運動」を行う。

《制御信号の振幅を連続的に増減させる例》
非対称波形発生部１１は、「第１の期間」と「第２の期間」との反転比を何れか一方の期間に偏らせた電位波形を持つ第１信号を出力する（図４Ａ）。振幅制御部１３は、電圧が０以上の範囲で周期的に滑らかに変化する電位波形（例えば、正弦波）を持つ第２信号を出力する。例えば、電位波形の周期を０．５〜５ｓとする（図４Ｂ）。第１信号と第２信号は合成部１４で乗算合成され、それによって得られた「乗算合成信号」（図４Ｃ）が駆動アンプ１５に入力される。駆動アンプ１５は「乗算合成信号」を増幅した「制御信号」を運動機構１２のコイル１２５ａ，１２５ｂに与える。これにより、運動機構１２の「加速度波形」の振幅スケールが時間変化する。

第２信号の波形は矩形波や正弦波に限定されず、三角波などのその他の波形であってもよい。

［第２実施形態］
本形態では、「時間区間Ｃ」で「第１方向」へ擬似的な力覚を呈示し、「時間区間Ｄ」でその逆の「第２方向」へ擬似的な力覚を呈示する。以下では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、第１実施形態と共通する事項については同じ参照番号を用いて説明を省略する場合がある。

＜構成＞
図１に例示するように、本形態の擬似力覚発生装置２は、非対称波形発生部１１、運動機構１２、振幅制御部２３、合成部１４、駆動アンプ１５を有する。振幅制御部２３は、前述のような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てもよいし、プログラムを用いることなく処理機能を実現する電子回路を用いて構成されてもよい。

＜動作＞
本形態でも「制御信号」の包絡線が極小値および極大値の少なくとも一方を持つように制御する。さらに本形態では、一部の時間区間（時間区間Ｄ）での「第１の期間」と「第２の期間」との反転比を、その他の時間区間（時間区間Ｃ）での反転比に対して反転させる。これにより、擬似的な力覚の呈示方向を反転させる。「時間区間Ｄ」は「時間区間Ｃ」よりも短く、「時間区間Ｄ」での「制御信号」の平均振幅は「時間区間Ｃ」での「制御信号」の平均振幅よりも小さい。ただし、これは本発明を限定するものではなく、「時間区間Ｄ」が「時間区間Ｃ」よりも短く、「時間区間Ｄ」での「制御信号」の平均振幅が「時間区間Ｃ」での「制御信号」の平均振幅以上であってもよい。あるいは、「時間区間Ｄ」が「時間区間Ｃ」よりも長く、「時間区間Ｄ」での「制御信号」の平均振幅が「時間区間Ｃ」での「制御信号」の平均振幅よりも小さくてもよい。これにより、第１方向をコードする感覚受容器Ｓ１とは異なる第２方向をコードする感覚受容器Ｓ２に短期間の刺激を与えることができ、刺激に対するコントラスト効果を高めることができるとともに、感覚受容器Ｓ１に対して間欠的に刺激を与えることになる。その結果、皮膚感覚の適応による感覚の減弱を防ぎ、さらに刺激開始時の過渡的な皮膚変形に対する感覚変化を利用し、方向が明瞭な力錯覚を持続させることができる。以下に具体例を示す。

《制御信号を間欠的に加える例》
非対称波形発生部１１は、「第１の期間」と「第２の期間」との反転比を何れか一方の期間に偏らせた電位波形を持つ第１信号を出力する（図５Ａ）。振幅制御部２３は、電圧が正（第１電圧）の期間と電圧が負（第２電圧）の期間とを周期的に繰り返す間欠的な電位波形を持つ第２信号を出力する。この周期は「基本周期」よりも長い。例えば、電圧が正の期間を０．５〜１．５ｓとし、電圧が０の期間を０．２〜１．０ｓとする。「第２電圧」の絶対値は「第１電圧」の絶対値よりも小さい（図５Ｂ）。第１信号と第２信号は合成部１４で乗算合成され、それによって得られた「乗算合成信号」（図５Ｃ）が駆動アンプ１５に入力される。駆動アンプ１５は「乗算合成信号」を増幅した「制御信号」を運動機構１２のコイル１２５ａ，１２５ｂに与える。これにより、運動機構１２は、第２信号の電圧が正となる「第１時間区間」で「第１方向」へ擬似的な力覚を呈示し、負となる「第２時間区間」で「第１方向」の逆方向である「第２方向」へ擬似的な力覚を呈示する。「第１時間区間」での運動機構１２の「加速度波形」の振幅は「第１値」以上であり、「第２時間区間」での運動機構１２の「加速度波形」の振幅は「第２値」以下である。ただし、「第２値」は「第１値」よりも小さい。

《制御信号の振幅を連続的に増減させる例》
非対称波形発生部１１は、「第１の期間」と「第２の期間」との反転比を何れか一方の期間に偏らせた電位波形を持つ第１信号を出力する（図６Ａ）。振幅制御部１３は、電圧が正負を含む範囲で周期的に滑らかに変化する電位波形（例えば、正弦波）を持つ第２信号を出力する。例えば、電位波形の周期を０．５〜５ｓとする（図６Ｂ）。第１信号と第２信号は合成部１４で乗算合成され、それによって得られた「乗算合成信号」（図６Ｃ）が駆動アンプ１５に入力される。駆動アンプ１５は「乗算合成信号」を増幅した「制御信号」を運動機構１２のコイル１２５ａ，１２５ｂに与える。運動機構１２は、第２信号の電圧が正となる「第１時間区間」で「第１方向」へ擬似的な力覚を呈示し、負となる「第２時間区間」で「第１方向」の逆方向である「第２方向」へ擬似的な力覚を呈示する。「第１時間区間」での運動機構１２の「加速度波形」の振幅は「第１値」以上となる場合があり、「第２時間区間」での運動機構１２の「加速度波形」の振幅は「第２値」以下となる場合がある。「第２時間区間」での運動機構１２の「加速度波形」の平均振幅は、「第１時間区間」での「加速度波形」の平均振幅よりも小さい。

本形態でも、第２信号の波形は矩形波や正弦波に限定されず、三角波などのその他の波形であってもよい。

［第１，２実施形態の有効性の実験］
本実験では、振動方向が互いに直交する２個の運動機構１２（振動体）を用い、図３Ａのような「制御信号」を駆動アンプ１５で増幅して運動機構１２に入力して行われた「連続非対称振動刺激（Ｃｏｎｔ）」、図３Ｃの「制御信号」を駆動アンプ１５で増幅して運動機構１２に入力して行われた「間欠非対称振動刺激（Ｉｎｔｅｒ）」、および図６Ｃの「制御信号」を駆動アンプ１５で増幅して運動機構１２に入力して行われた「短時間逆方向非対称振動刺激（Ｍｏｄ）」の３つの弱い刺激波形を被験者に与える。図７は、このような２自由度の刺激（前後左右の４方向への刺激）が与えられた被験者の力覚呈示方向知覚の正解率を表す。「制御信号」の最大振幅は３つの刺激で一致させた。いずれも「第１の期間」および「第２の期間」をそれぞれ２ｍｓ，１８ｍｓとし、１試行の刺激時間を７．５ｓとした。「間欠非対称振動刺激（Ｉｎｔｅｒ）」における、刺激を与える期間ｏｎおよび刺激を与えない期間ｏｆｆを、それぞれ［ｏｎ，ｏｆｆ］＝［１．０，０．５］ｓとした。「短時間逆方向非対称振動刺激（Ｍｏｄ）」における正弦波振幅変調の周期（図６Ｂの正弦波の周期）を１．５ｓとし、正負割合（図６Ｂの波形における、正電圧の絶対値の最大値と負電圧の絶対値の最大値と割合）を１７：３とした。被験者は１２名であり、各被験者は右手親指と人差し指で「振動体」を摘むように保持し、刺激開始後、前後左右４方向のいずれの方向に擬似的な力覚を知覚したかを選択した。この選択は強制され、各被験者は必ず前後左右４方向のいずれの方向を回答した。図７の点線は、ランダムに回答した場合にたまたま正解する確率である２５％を示す。いずれの条件における回答正解率もそれより高く、本実験で使用した弱い力覚提示刺激がどれも有効であることを示している。さらに、「間欠非対称振動刺激（Ｉｎｔｅｒ）」での正解率（８３．３％）および「短時間逆方向非対称振動刺激（Ｍｏｄ）」での正解率（７５％）は、いずれも「連続非対称振動刺激（Ｃｏｎｔ）」での正解率（６２．５％）よりも統計的に高い結果となった。この結果は、「間欠非対称振動刺激（Ｉｎｔｅｒ）」および「短時間逆方向非対称振動刺激（Ｍｏｄ）」は、「連続非対称振動刺激（Ｃｏｎｔ）」よりも正解を得やすいことを示しており、第１，２実施形態の有効性が確認された。

［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、非対称波形発生部および振幅制御部が分離されている必要はなく、最終的に駆動アンプに入力される前述の信号が得られればよい。

運動機構の構成も図２Ａおよび図２Ｂに例示したものに限定されない。例えば、参考文献１〜４のような構成に本発明を適用し、擬似的な力覚を呈示するために「非対称加速度運動」を行う物体の「加速度波形」を第１，２実施形態で説明したように変化させてもよい。また、参考文献５，６のような回転力覚を呈示する構成に本発明を適用し、擬似的な力覚を呈示するために「非対称角加速度運動」を行う物体の「角加速度波形」を変化させてもよい。

また、並進力覚および回転力覚の何れか一方および両方を呈示可能な運動機構において、支持部に対する運動部材の「加速度波形」および「角加速度波形」の少なくとも一方が変化する「非対称運動（「非対称加速度運動」および「非対称角加速度運動」の少なくとも一方を含む運動）」によって擬似的な力覚を呈示してもよい。例えば、図８Ａから図９Ｂに例示するような運動機構３１において、このような動作を行ってもよい。

この運動機構３１は、容器３１１と支持部３１２（上蓋）とコイル３１３−１〜３１３−４（第１コイル）と運動機構３１４と弾性体３１５とを有する。

容器３１１は、１つの開放口３１１３を持つ中空の収納部材である。容器３１１の形状に限定はないが、本変形例では円筒の一方の開放端を閉じ、他方の開放端を開放口３１１３とした中空形状の部材を容器３１１とする。なお、容器３１１の材質は、運動機構３１で発生した加速度を外部に伝達可能なものであれば、どのようなものであってもよい。このような材質の例は、ＡＢＳ樹脂等の合成樹脂、銅等の金属、ガラス、木材、ゴムなどである。

支持部３１２は、中心付近に貫通孔３１２１を持つ部材である。容器３１１の開放口３１１３に取り付け可能であり、容器３１１に対する相対位置を固定できるのであれば、支持部３１２の形状に限定はない。本変形例では、中心付近に貫通孔３１２１を持つ円盤状（すなわち、ドーナツ形状）であって、その外周の辺縁部３１２２が容器３１１の開放口３１１３の内周にはめ込まれる形状の部材を支持部３１２とする。図８Ａ等に例示するように、本変形例の支持部３１２の一方の板面には、貫通孔３１２１から放射状に当該板面に沿った４本の溝３１２３−１〜３１２３−４が形成されている。言い換えると、溝３１２３−２および１２３−４は貫通孔３１２１を横切る軸α_１上に配置され、溝３１２３−１および３１２３−３は貫通孔３１２１を横切る軸α_２上に配置されている。ただし、軸α_１と軸α_２とは貫通孔３１２１上で互いに略直交している。すなわち、略直交する２つの軸α_１およびα_２方向にそれぞれ２本ずつの溝３１２３−２，３１２３−４および３１２３−１，３１２３−３が形成されている。なお、支持部３１２は、容器３１１に取り付けられた際に当該容器３１１に対する相対位置を固定可能な材質で構成される。このような材質の例は、ＡＢＳ樹脂等の合成樹脂、ガラス、木材、ゴムなどである。また後述のように、溝３１２３−１〜３１２３−４付近は電磁石の磁心として機能するため、４本の溝３１２３−１〜３１２３−４付近に飽和磁束密度の大きな軟鉄等の金属が配置されていてもよい。ただし、４本の溝３１２３−１〜３１２３−４付近に配置される金属は互いに独立していることが望ましい。

コイル３１３−１〜３１３−４は、表面に絶縁層を持つ導電部材からなる導線であり、例えば、エナメル線等である。本変形例のコイル３１３−１〜３１３−４は、それぞれ、支持部３１２の貫通孔３１２１および辺縁部３１２２を通り、溝３１２３−１〜３１２３−４およびそれらの裏面側に位置する内側領域３１２４−１〜３１２４−４に沿って、支持部３１２に巻き付けられている（図９Ａおよび図９Ｂ）。すなわち、コイル３１３−β（ただし、β＝１，・・・，４）は、貫通孔３１２１および辺縁部３１２２を通り、溝３１２３−βおよび内側領域３１２４−βの周りに巻き付けられている。つまり、略直交する２つの軸α_１およびα_２方向にそれぞれ２本ずつのコイル３１３−２，３１３−４およびコイル３１３−１，３１３−３が支持部３１２に巻き付けられている。このような４個のコイル３１３−１〜３１３−４の巻き付け方向を「縦巻き方向」と呼ぶことにする。言い換えると、４個のコイル３１３−１〜３１３−４の巻き付け方向は、それぞれ、支持部３１２の板面に沿った軸（板面と略平行な支持部３１２内の仮想的な軸）の軸周りの方向である。以上により、コイル３１３−１〜３１３−４は支持部３１２に支持され、支持部３１２に対する相対位置が固定されている。

４個のコイル３１３−１〜３１３−４が巻き付けられた支持部３１２は、容器３１１の開放口３１１３に取り付けられている（図９Ａおよび図９Ｂ）。具体的には、支持部３１２の内側領域３１２４−１〜３１２４−４が容器３１１の内側に向けられ、支持部３１２が容器３１１の内側の底面３１１２と略平行に配置され、支持部３１２の外周の辺縁部３１２２が容器３１１の内周壁面３１１１に固定されている。これにより、コイル３１３−１〜３１３−４のそれぞれが、少なくとも、支持部３１２に対して定まる第１層Ｌ１１に配置されている。言い換えると、コイル３１３−β（ただし、β＝１，・・・，４）のそれぞれの内側領域３１２４−β側の部分が第１層Ｌ１１に位置している。以上のような配置構成により、コイル３１３−１〜３１３−４のそれぞれは、第１層Ｌ１１の互いに異なる領域に偏って配置されており、より具体的には、第１層Ｌ１１の基準位置（貫通孔３１２１）に対して、第１層Ｌ１１に沿った４個の方角のそれぞれに位置している（図８Ｂ，９Ａ，９Ｂ）。

容器３１１の内部には運動部材３１４と運動部材３１４を支持する弾性体３１５とが配置されている。弾性体３１５は、運動部材３１４を所定の復帰位置に戻す弾性力（反発力）を生じる機構や部材である。このようなものであれば弾性体３１５の構成に限定はない。本変形例では、ゴム等の弾性材料から構成されたドーナツ形状の弾性体３１５（例えば、ゴムチューブ）を例示する。運動部材３１４は永久磁石を有する実質的な剛体（剛体とみなせる物体）である。運動部材３１４の構成に限定はない。複数の永久磁石の組み合わせで構成されていてもよいし、１個の永久磁石で構成してもよい。本変形例では、円盤状の１個の永久磁石を運動部材３１４とする。この運動部材３１４の一方の板面はＮ極３１４２とされ、他方の板面はＳ極３１４３とされている。本変形例の運動部材３１４および弾性体３１５は支持部３１２と容器３１１の内側の底面３１１２との間に配置され、弾性体３１５の外周の辺縁部３１５２は容器３１１の内周壁面３１１１に支持され、弾性体３１５の内周の辺縁部３１５１は運動部材３１４の外周の辺縁部３１４１を支持している。弾性体３１５は、運動部材３１４の板面（Ｎ極３１４２およびＳ極３１４３の面）が底面３１１２および支持部３１２と略平行に配置され、かつ、これらの板面が底面３１１２および支持部３１２と接触しないように運動部材３１４を保持する。ただし、運動部材３１４と底面３１１２との間の摩擦力が小さく、運動部材３１４が底面３１１２の上を滑るように移動可能なのであれば、運動部材３１４と底面３１１２とが接していてもよい。また本変形例では、運動部材３１４のＮ極３１４２が支持部３１２側に配置され、Ｓ極３１４３が容器３１１の底面３１１２側に配置されている。しかしながら、運動部材３１４のＮ極３１４２が容器３１１の底面３１１２側に配置され、Ｓ極３１４３が支持部３１２側に配置されてもよい。また、弾性体３１５の外周の辺縁部３１５２は容器３１１の内周壁面３１１１に固定されていてもよいし、固定されていなくてもよい。弾性体３１５の内周の辺縁部３１５１は運動部材３１４の外周の辺縁部３１４１に固定されていてもよいし、固定されていなくてもよい。要は、弾性体３１５の辺縁部３１５１（ある部位）の相対位置が支持部３１２に対して保持されており、弾性体３１５の辺縁部３１５１（他の部位）が運動部材３１４を支持していればよい。

以上により、コイル３１３−１〜３１３−４の相対位置が容器３１１に対して固定され、コイル３１３−１〜３１３−４それぞれの少なくとも一部が第１層Ｌ１１に配置され、運動部材３１４が容器３１１の内周壁面３１１１に支持された弾性体３１５に支持される。これにより、運動部材３１４が第１層Ｌ１１に沿った第２層Ｌ１２に配置され、容器３１１内を底面３１１２に沿って移動可能とされる。本変形例の運動部材３１４は、少なくとも、第１層Ｌ１１に沿った２自由度の並進運動または１自由度の回転運動を行うことが可能である。弾性体３１５は運動部材３１４を容器３１１内の所定の復帰位置に復帰させるための弾性力を運動部材３１４に与える。少なくとも運動部材３１４が復帰位置に存在する場合、コイル３１３−１〜３１３−４の内側領域３１２４−１〜３１２４−４に位置する部分のそれぞれが運動部材３１４に対向している。コイル３１３−１〜３１３−４は、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、流された電流に応じた力（加速度）を運動部材３１４に与える。すなわち、コイル３１３−１〜３１３−４のそれぞれに流れる電流の向きおよび大きさならびに運動部材３１４の磁場に応じ、運動部材３１４に様々な方向および大きさの力が与えられ、それらの合成ベクトルに相当する力が運動部材３１４に与えられる。これらの力により、運動部材３１４は第１層Ｌ１１に沿った（例えば、容器３１１の底面３１１２および支持部３１２と略平行な）周期的な運動（支持部３１２に対する運動）を行う。この周期的な運動は、コイル３１３−１〜３１３−４のそれぞれに流れる電流の向きおよび大きさによって制御できる。

ここで、加速度または角加速度の向きによって加速度または角加速度の大きさの時間変化が異なるように制御した場合（非対称運動）、運動部材３１４に与えられた力（加速度）の反作用として、コイル３１３−１〜３１３−４を支持する容器３１１に逆方向の力（加速度）が加わり、運動機構３１を把持しているユーザは容器３１１に与えられた運動に応じた擬似的な力覚を知覚する。例えば、運動部材３１４がある特定方向へ加速する期間とその逆方向へ加速する期間と繰り返す周期的な運動を行う場合、ある方向へ加速する期間での加速度の時間変化とその逆方向へ加速する期間での加速度の時間変化とを非対称とすることで（非対称加速度運動）、運動機構３１の容器３１１を握るユーザに、その特定方向と逆方向に引っ張られるような力覚（並進力覚）を呈示できる。また、運動部材３１４が特定の回転方向の角加速度の期間とその逆回転方向の角加速度の期間と繰り返す周期的な運動を行う場合、特定の回転方向の角加速度の期間での角加速度の時間変化とその逆回転方向の角加速度の期間での角加速度の時間変化とを非対称とすることで（非対称角加速度運動）、特定の回転方向と逆回転方向に回転するような力覚（回転力覚）を呈示できる。

このような構成において、支持部３１２に対する運動部材３１４の「加速度波形」および「角加速度波形」の少なくとも一方を変化させ、呈示される擬似的な力覚の強さを時間変化させてもよい。例えば、運動部材３１４が支持部３１２に対して間欠的に「非対称加速度運動」および「非対称角加速度運動」の少なくとも一方を行ってもよいし、「加速度波形」および「角加速度波形」の少なくとも一方の振幅スケールが時間変化してもよい。「時間区間Ｃ」で第１方向および第１回転方向の少なくとも一方へ擬似的な力覚を呈示し、「時間区間Ｄ」で第１方向の逆方向である第２方向および第１回転方向の逆回転方向である第２回転方向の少なくとも一方へ擬似的な力覚を呈示してもよい。なお、運動部材３１４は支持部３１２に対して２自由度の並進運動が可能である。支持部３１２に対する運動部材３１４の「加速度波形」は、支持部３１２に沿った直交座標の何れかの座標の加速度成分を表す波形である。

上述の各種の処理は、記載に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されてもよい。その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。

１，２ 擬似力覚発生装置
１２，３２ 運動機構
１２１，３１２ 支持部
１２５ 永久磁石（運動部材）
３１４ 運動部材

Claims (7)

1. 擬似的な力覚を呈示する擬似力覚発生装置であって、
   支持部と、前記支持部に対して非対称加速度運動および非対称角加速度運動の少なくとも一方を行う運動部材と、を有し、
   前記支持部に対する前記運動部材の加速度波形および角加速度波形の少なくとも一方が変化すし、
   第１時間区間で第１方向および第１回転方向の少なくとも一方へ擬似的な力覚を呈示し、第２時間区間で前記第１方向の逆方向である第２方向および前記第１回転方向の逆回転方向である第２回転方向の少なくとも一方へ擬似的な力覚を呈示する、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、
   前記運動部材は、前記支持部に対して間欠的に前記非対称加速度運動および前記非対称角加速度運動の少なくとも一方を行う、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、
   前記加速度波形および前記角加速度波形の少なくとも一方の振幅スケールが時間変化する、擬似力覚発生装置。
4. 請求項１から３の何れかの擬似力覚発生装置であって、
   前記第１時間区間は、前記加速度波形および角加速度波形の少なくとも一方の振幅が第１値以上となる時間区間であり、
   前記第２時間区間は、前記加速度波形および角加速度波形の少なくとも一方の振幅が前記第１値よりも小さな第２値以下となる時間区間である、擬似力覚発生装置。
5. 請求項１から４の何れかの擬似力覚発生装置であって、
   前記加速度波形が前記非対称加速度運動の周期よりも長い周期で変化する波形であり、および／または、前記角加速度波形が前記非対称角加速度運動の周期よりも長い周期で変化する波形である、擬似力覚発生装置。
6. 請求項１から５の何れかの擬似力覚発生装置であって、
   前記加速度波形および前記角加速度波形の少なくとも一方は、前記擬似的な力覚を時間変化させるものである、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、
   前記運動部材は、制御信号の大きさに応じた力が与えられることで前記支持部に対する非対称運動を行い、
   前記制御信号の包絡線が極小値および極大値の少なくとも一方を持つ、擬似力覚発生装置。

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