(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作者により操作される操作レバーと、前記操作レバーのＸＹ平面方向のスライド動作の入力および前記操作レバーのＸＹ平面上特定位置でのＺ軸方向への押し込み動作の入力を案内する移動ガイド面とを有する操作部と、
前記操作レバーのＸＹ平面方向のスライド動作の入力と前記操作レバーのＺ軸方向への押し込み動作の入力とを検出する検出部と、
前記検出部の検出結果に基づき、前記操作レバーの操作に対応した力を演算する演算制御部と、
少なくとも一つのアクチュエータからなる駆動部を有し、前記演算制御部の演算結果に基づき、前記駆動部に対して、前記ＸＹ平面方向のスライド動作の入力に対する前記操作レバーの抗力、及びＺ軸方向への押し込み動作の入力に対する前記操作レバーの調整力を発生させる駆動伝達部と、を備える触力覚提示装置。
【請求項２】
前記駆動伝達部は、ＸＹ平面方向のスライド動作が入力された際にはワイヤによる引張力により前記操作レバーを特定位置に引き戻す抗力を伝達し、Ｚ軸方向の押し込み動作が入力された際には前記ワイヤによる引張力とバネによる伸張力の合力によりＺ軸方向に調整力を伝達する請求項１記載の触力覚提示装置。
【請求項３】
前記駆動伝達部は、前記駆動部で発生する力を、ＸＹ平面方向及びＺ軸方向への移動力に変換する方向転換部を有し、ＸＹ平面方向のスライド動作が入力された際には前記方向変換部により前記操作レバーを特定位置に引き戻す抗力を伝達し、Ｚ軸方向の押し込み動作が入力された際には前記方向変換部によりＺ軸方向に調整力を伝達する請求項１記載の触力覚提示装置。
【請求項４】
前記駆動伝達部は、前記操作レバーのＸＹ平面方向のスライドを止めるストッパーを有し、ＸＹ平面方向のスライド動作が入力された際には前記ストッパーにより前記操作レバーの動きを止めることで抗力を発生させ、Ｚ軸方向の押し込み動作が入力された際には、前記操作レバーに対してＺ軸方向への調整力を伝達する請求項１記載の触力覚提示装置。
【請求項５】
前記検出部は、ＸＹ平面方向のスライド動作の入力として前記操作レバーのＸＹ平面上の位置を検出するセンサと、Ｚ軸方向への押し込み動作の入力として前記操作部のＺ軸方向での位置を検出するセンサとを有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の触力覚提示装置。
【請求項６】
前記検出部は、ＸＹ平面方向のスライド動作の入力として前記操作レバーのＸＹ平面方向への力を検出するセンサと、Ｚ軸方向への押し込み動作の入力として前記操作レバーのＺ軸方向への力を検出センサとを有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の触力覚提示装置。
【請求項７】
前記駆動部はモータにおける１方向回転のみを前記操作レバーに提示する力として用いるアクチュエータを有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の触力覚提示装置。
【請求項８】
前記駆動部はバイオメタルによる圧縮力を駆動力とするアクチュエータを有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の触力覚提示装置。
【請求項９】
前記駆動部はモータにおける時計回転方向と反時計回転方向との２方向の回転を前記操作レバーに提示する力として用いるアクチュエータを有する請求項１〜７のいずれか１項に記載の触力覚提示装置。
【請求項１０】
操作者により操作される操作レバーと、前記操作レバーのＸＹ平面方向のスライド動作の入力および前記操作レバーのＸＹ平面上特定位置でのＺ軸方向への押し込み動作の入力を案内する移動ガイド面とを有する操作部と、前記操作レバーのＸＹ平面方向のスライド動作の入力と前記操作レバーのＺ軸方向への押し込み動作の入力とを検出する検出部と、前記検出部の検出結果に基づき前記操作レバーの操作に対応した力を演算する演算制御部と、少なくとも一つのアクチュエータ駆動部を有する駆動伝達部と、を備え、
前記演算制御部は、
前記検出部からの検出データに基づいて、データベースの仮想物理データを参照し、仮想空間の中での物理現象をシミュレートすることで、前記仮想物理データを更新し、前記操作レバーに提示する力を提示データとして出力するシミュレータ算出部と、
前記提示データに基づき、力を発生させるためのアクチュエータを制御するための制御データを出力し、かつ前記制御データに基づき前記操作レバーを動作させる触力覚提示アクチュエータ制御部と、を具備する触力覚提示装置。
【請求項１１】
前記データベースの前記仮想物理データは、仮想空間上での前記操作レバーに相当する操作ポインタと仮想物体のバネ係数、ダンパ係数、マス係数を持ち、前記操作ポインタと前記仮想物体それぞれの位置、大きさ、拘束条件を定義している請求項１０に記載の触力覚提示装置。
【請求項１２】
前記シミュレータ算出部は、前記操作レバーの前記検出データを仮想空間上での前記操作ポインタの移動量に相当させている請求項１０または１１に記載の触力覚提示装置。
【請求項１３】
前記シミュレータ算出部は、前記操作レバーの前記検出データを仮想空間上での前記操作ポインタの移動速度に相当させている請求項１０又は１１に記載の触力覚提示装置。
【請求項１４】
前記触力覚提示アクチュエータ制御部は、前記駆動部がＸＹ平面方向のスライド動作が入力される際には前記操作レバーを特定位置に引き戻す力を抗力として提示をする制御をし、前記駆動部がＺ軸方向の押し込み動作が入力される際にはＺ軸方向への正および負の任意の向きの調整力を提示する制御をする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の触力覚提示装置。
【請求項１５】
前記触力覚提示アクチュエータ制御部は、前記駆動部がＸＹ平面方向のスライド動作が入力される際には前記操作レバーの動きを止めることで抗力を提示する制御をし、前記駆動部がＺ軸方向の押し込み動作が入力される際にはＺ軸方向への正および負の任意の向きの調整力を提示する制御をする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の触力覚提示装置。
【請求項１６】
前記請求項１〜１５のいずれか１項に記載の触力覚提示装置を操作部として備える電子端末機器。
【請求項１７】
操作者により操作される操作レバーと、前記操作レバーのＸＹ平面方向のスライド動作の入力および前記操作レバーのＸＹ平面上特定位置でのＺ軸方向への押し込み動作の入力を案内する移動ガイド面とを有する操作部と、前記操作レバーのＸＹ平面方向のスライド動作の入力と前記操作レバーのＺ軸方向への押し込み動作の入力とを検出する検出部と、前記検出部の検出結果に基づき前記操作レバーの操作に対応した力を演算する演算制御部と、少なくとも一つのアクチュエータからなる駆動部を有する駆動伝達部と、を備えた触力覚提示装置による触力覚提示方法であって、
前記検出部からの検出データに基づいて、データベースの仮想物理データを参照し、仮想空間の中での物理現象をシミュレートすることで、前記仮想物理データを更新し、前記操作レバーに提示する力を提示データとして出力するシミュレータ算出ステップと、
前記提示データに基づき、力を発生させるためのアクチュエータを制御するための制御データを出力し、かつ前記制御データに基づき前記操作レバーを動作させる触力覚提示アクチュエータ制御ステップと、を有することを触力覚提示方法。
【請求項１８】
前記シミュレータ算出ステップは、前記操作レバーの前記検出データを仮想空間上での前記操作ポインタの移動量に相当させている請求項１７に記載の触力覚提示方法。
【請求項１９】
前記シミュレータ算出ステップは、前記操作レバーの前記検出データを仮想空間上での前記操作ポインタの移動速度に相当させている請求項１７に記載の触力覚提示方法。
【請求項２０】
前記触力覚提示アクチュエータ制御ステップは、前記駆動部がＸＹ平面方向のスライド動作が入力される際には前記操作レバーを特定位置に引き戻す力を抗力として提示をする制御をし、前記駆動部がＺ軸方向の押し込み動作が入力される際にはＺ軸方向に限定された正および負の任意の向きに調整力を提示する制御をする請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の触力覚提示方法。
【請求項２１】
前記触力覚提示アクチュエータ制御ステップは、前記駆動部がＸＹ平面方向のスライド動作が入力される際には前記操作レバーの動きを止めることで抗力を提示する制御をし、前記駆動部がＺ軸方向の押し込み動作が入力された際にはＺ軸方向に限定された正および負の任意の向きに調整力を提示する制御をする請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の触力覚提示方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話、ＰＤＡ、ノートＰＣ、ゲーム機、テレビリモコンといった電子機器の操作部に適用可能な触力覚提示装置及び触力覚提示方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、大掛かりなシステムを要した、コンピュータ上の仮想物体への接触等、触力覚を利用した触力覚提示装置（触力覚提示装置）が提示されている。この触力覚提示装置は、可搬性を重視する携帯電話、ＰＤＡ、ノートＰＣ又はリモコン、マウス、ゲームコントローラといった電子機器上に適用されている。【０００３】
このような触力覚提示装置として、特許文献１〜３に示される技術が示されている。特許文献１に示される触覚力覚呈示装置では、内部に運動子を備え振動及び回転可能に保持された球体を備える。この触覚力覚呈示装置は、モニターに表示された画像上にポインタが接触したときに触覚力覚信号を出力する。球体が回転されている状態で、駆動装置及び情報処理装置から送信された触覚力覚信号に応じて、運動子を運動させることにより球体を振動させて触覚力覚が呈示される。【０００４】
特許文献２に示される触力覚提示装置にタッチパネルにおいては、中間電極シートは、透明で、可撓性があり、両面に透明電極が成膜されている。この中間電極シートを挟んで、両透明電極からそれぞれ所定の均一な間隙を開けて、入力操作側に、上側電極シートが積層され、表示装置側に下側電極シート積層されて構成されている。上側電極シートは、透明電極に対面し、上側透明電極を有する。下側電極シートは、透明電極に対面し、下側透明電極を有する。【０００５】
特許文献３に示される触覚インタフェース装置は、操作者によって操作される操作部を有するユーザインタフェース部と、このユーザインタフェース部を駆動する駆動部と、この駆動部を制御する制御部とを有する。駆動部は、ケース中に、極性が交互になるように配設された磁石を有している。この触覚インタフェース装置の制御部は、信号線を介してフレーム内のコイルへ電流を流すことによってこのフレームを変位させるとともに、このフレームに取り付けられている操作部を、このフレームの変位に連動して変位させる。駆動部は、操作者に反力を与えるために制御部における駆動制御の下、操作部に対して電磁気により駆動力を付与する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１１７７１５号公報
【特許文献２】特開２００２−２５９０５９号公報
【特許文献３】特開２００４−１７１１５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１〜３に示される技術では、近年の技術の進歩により小型で自由度の高いセンサからの出力に基づいて、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向への入力、及びこの入力時の接触覚に応じた抵抗力を発生させている。このように入力を検出するため及び、抵抗力を発生させるために多くの部品が必要である。アクチュエータにおいては操作者に十分な提示を行うための出力を持たせたままの小型化が難しい。より表現力の高い触力覚提示を行なうためには、装置全体が大型化、重量化し、また、部品点数の増加により、高価格化、エネルギー使用が増大化するという問題がある。【０００８】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、機器の大型化につながるアクチュエータの構造を簡易にすることで、可搬性を重視する携帯機器や機器に付随するコントローラにおける触力覚提示において、軽量、小型でかつ表現力の高い触力覚提示を行なうことができる触力覚提示装置及びその提示方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の触力覚提示装置は、操作者により操作される操作レバーと、操作レバーのＸＹ平面方向のスライド動作の入力および操作レバーのＸＹ平面上特定位置でのＺ軸方向への押し込み動作の入力を案内する移動ガイド面とを有する操作部と、操作レバーのＸＹ平面方向のスライド動作の入力と操作レバーのＺ軸方向への押し込み動作の入力とを検出する検出部と、検出部の検出結果に基づき、操作レバーの操作に対応した力を演算する演算制御部と、少なくとも一つのアクチュエータからなる駆動部を有し、演算制御部の演算結果に基づき、駆動部に対して、ＸＹ平面方向のスライド動作の入力に対する操作レバーの抗力、及びＺ軸方向への押し込み動作の入力に対する操作レバーの調整力を発生させる駆動伝達部とを備える。【００１０】
また、本発明の触力覚提示方法は、操作者により操作される操作レバーと、操作レバーのＸＹ平面方向のスライド動作の入力および操作レバーのＸＹ平面上特定位置でのＺ軸方向への押し込み動作の入力を案内する移動ガイド面とを有する操作部と、操作レバーのＸＹ平面方向のスライド動作の入力と操作レバーのＺ軸方向への押し込み動作の入力とを検出する検出部と、検出部の検出結果に基づき操作レバーの操作に対応した力を演算する演算制御部と、少なくとも一つのアクチュエータからなる駆動部を有する駆動伝達部と、を備えた触力覚提示装置による触力覚提示方法である。この触力覚提示方法は、検出部からの検出データに基づいて、データベースの仮想物理データを参照し、仮想空間の中での物理現象をシミュレートすることで、仮想物理データを更新し、操作レバーに提示する力を提示データとして出力するシミュレータ算出ステップと、提示データに基づき、力を発生させるためのアクチュエータを制御するための制御データを出力し、かつ制御データに基づき操作レバーを動作させる触力覚提示アクチュエータ制御ステップとを有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、検出部によって、操作レバーのＸＹ平面方向のスライド動作の入力およびＺ軸方向への押し込み動作の入力とを検出した後、演算制御部によって検出部の検出結果に基づき、操作レバーの操作に対応した力を演算する。その後、駆動伝達部では、少なくとも一つのアクチュエータからなる駆動部によって、演算制御部の演算結果に基づき、駆動部に対して、ＸＹ平面方向でのスライド動作の入力に対する操作レバーの抗力、及びＺ軸方向への押し込み動作の入力に対する調整力を発生させて操作レバーに伝達する。すなわち、本発明では、少なくとも一つのアクチュエータからなる駆動部によって、ＸＹ平面方向でのスライド動作の入力に対する操作レバーの抗力、及びＺ軸方向への押し込み動作の入力に対する操作レバーの調整力を発生させている。よって、操作者のアクティブな操作レバーの入力動作に付随する触力覚を提示することができ、少ないアクチュエータでありながら多様な触力覚表現を提示することが可能となる。その結果、機器の大型化につながるアクチュエータの構造を簡易にすることができ、可搬性を重視する携帯機器や機器に付随するコントローラにおける触力覚提示において、軽量、小型、低価格化、省エネルギー化、操作性向上を図り、かつ表現力の高い触力覚提示を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１に係る操作部を含む触力覚提示装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す操作部の入出力操作の様子を表した図である。
【図３】図１に示す操作部の詳細を示す縦断面図である。
【図４Ａ】図１に示す操作部における入力検出状態と出力提示方法の関係を表したイメージ図であって、ＸＹ軸方向への動作を示している。
【図４Ｂ】図１に示す操作部における入力検出状態と出力提示方法の関係を表したイメージ図であって、Ｚ軸方向への動作を示している。
【図５】本発明の実施例１に係る触力覚提示装置における仮想空間での操作ポインタと仮想物理情報とを表した図である。
【図６】本発明の実施例１に係る触力覚提示装置の全体動作を表すフローチャートである。
【図７Ａ】図１に示す操作部の操作レバーの動作を示すイメージ図である。
【図７Ｂ】本発明の実施例１に係る触力覚提示装置における仮想空間での操作ポインタの詳細動作を示すイメージ図である。
【図８】本発明の実施例１に係る触力覚提示装置におけるシミュレータ算出部及びアクチュエータ制御部からなる演算制御部の制御内容を示すフローチャートである。
【図９Ａ】本発明の実施例１に係る触力覚提示装置における仮想空間での操作ポインタと仮想物理データとの関係を表したイメージ図であって、仮想空間内の仮想壁面と操作ポインタとの関係を示す。
【図９Ｂ】本発明の実施例１に係る触力覚提示装置における仮想空間での操作ポインタと仮想物理データとの関係を表したイメージ図であって、仮想空間内の仮想底面と操作ポインタとの関係を示している。
【図１０Ａ】本発明の実施例１に係る触力覚提示装置における操作部と仮想空間での操作ポインタと仮想壁面との関係を表したイメージ図であって、操作部の平面図である。
【図１０Ｂ】本発明の実施例１に係る触力覚提示装置における操作部と仮想空間での操作ポインタと仮想壁面との関係を表したイメージ図であって、仮想空間内の操作ポインタを示す図である。
【図１１】本発明の実施例２に係る操作部の詳細を示す縦断面図である。
【図１２Ａ】本発明の実施例３に係る入力検出状態と出力提示方法との関係を示す図であって、ＸＹ軸方向への動作を示す。
【図１２Ｂ】本発明の実施例３に係る入力検出状態と出力提示方法との関係を示す図であって、Ｚ軸方向への動作を示す。
【図１３Ａ】本発明の実施例４に係る入力検出状態と出力提示方法との関係を示す図であって、ＸＹ軸方向への動作を示す。
【図１３Ｂ】本発明の実施例４に係る入力検出状態と出力提示方法との関係を示す図であって、Ｚ軸方向への動作を示す。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１３】
次に、図１〜図１０Ｂを参照して本発明の実施例１を説明する。図１は本発明を適用した触力覚提示装置の構成を示すブロック図である。図２は触力覚提示装置の操作部を表した斜視図である。図２は、図１に示される操作部１の外観図であって、操作者の指先による動作を表している。この操作部１は、突状の操作レバー１２（後述する）を有する。操作レバー１２に対して触力覚を提示する領域は指先の接触点である。操作レバー１２に対して、ＸＹ平面上のスライド動作と、中心位置ＯでのＺ軸方向への押し込み動作としての入力が行なえる。本発明の実施例１では、操作レバー１２に対するＸＹ平面上のスライド動作と、中心位置ＯでのＺ軸方向への操作レバー１２の押し込み動作を入力データとして検出する。この入力データに基づき、ＸＹ平面上のスライド動作に付随した入力操作に対して「抗力（提示力）」を発生させる触力覚提示を行う。また、Ｚ軸方向への操作レバー１２の押し込み動作に対しては、目標とされる基準仮想面に基づき、「弾性力」「粘性力」「慣性力」といった力を返す触力覚提示を行う。以下の説明においてＺ軸方向へのこれら「弾性力」「粘性力」「慣性力」を、操作レバー１２の押し込み力に対する「調整力（提示力）」と表現する。【００１４】
図１を参照して、本発明を適用した触力覚提示装置について説明する。この触力覚提示装置は、操作部１と、シミュレータ算出部４と、アクチュエータ制御部６と、情報提示部７とから構成されている。操作部１は、操作者によって操作されて内部に入力検出センサ２及び触力覚提示アクチュエータ３（後述する）を有する。シミュレータ算出部４は、操作部１の入力検出センサ２から出力された検出データをデータベース５内のデータと比較参照する。アクチュエータ制御部６は、シミュレータ算出部４における算出結果に基づき駆動される。情報提示部７は、アクチュエータ制御部６の制御情報を視覚的に表示する。
この触力覚提示装置における処理を説明する。操作部１が操作されて操作部１の入力検出センサ２から検出データａが出力される。シミュレータ算出部４は、その検出データａを、データベース５の仮想的な物体情報である仮想物理データｂと参照比較した後、触力覚提示アクチュエータ３を駆動させるための力である提示データｃを計算する。その後、このシミュレータ算出部４は、提示データｃに基づき、例えばディスプレイである情報提示部７に対して視覚情報として、目標とされる基準仮想面を表示する表示データｅを出力する。それとともに、シミュレータ算出部４は、データベース５に対して、この提示データｃに基づき予め記憶させた仮想物理データｂを更新させる処理を行う。アクチュエータ制御部６は、シミュレータ算出部４から提示データｃが入力された場合に、提示データｃに基づき、触力覚提示アクチュエータ３に対して提示する力を算出および制御するための制御データｄを生成し、この制御データｄに基づき触力覚提示アクチュエータ３を駆動させる。【００１５】
上記構成において、シミュレータ算出部４及びアクチュエータ制御部６により「演算制御部Ｃ」が構成される。触力覚提示アクチュエータ３により「駆動伝達部Ｄ（具体的には、図３に示す、ガイド移動部３０、圧縮バネ３２、駆動部３３、プーリ３４、ワイヤ３５からなる）（後述する）」が構成される。【００１６】
図３は、指で直接接触し入力動作や触力覚提示を行なう操作部１の詳細を表した断面図である。この操作部１は、ケーシング１０と、蓋部材１１と、操作レバー１２と、ガイド部材１４と、を具備する。ケーシング１０は、全体として筒状に形成されている。蓋部材１１は、ケーシング１０の上部開口に設けられ、中央部に円形開口１１Ａを有する。操作レバー１２は、蓋部材１１の円形開口１１Ａ内に移動自在に設けられ、縦断面視において凸形状を有し、かつ平面視において円形形状を有する。ガイド部材１４は、ケーシング１０内でかつ蓋部材１１の下部に設けられ、中央部に凹状の収納部１３を有する。ガイド部材１４の上面でありかつガイド部材１４と蓋部材１１の円形開口１１Ａとの間には、操作レバー１２が水平移動できるＸＹ軸方向移動ガイド面１５が形成されている。【００１７】
ガイド部材１４内の凹状の収納部１３の壁面は、操作レバー１２が収納可能な大きさに形成されている。その壁面には、操作レバー１２がＺ軸方向に摺動可能なＺ軸方向移動ガイド面１６が形成されている。操作レバー１２の側部にはカバー１７が固定されている。カバー１７は、蓋部材１１の円形開口１１Ａに面する内壁面に水平に形成されたスリット１１Ｂ内に収容される。カバー１７は、操作レバー１２の水平移動とともに動き、収納部１３が上部に露出しないようにしている。【００１８】
ガイド部材１４のＸＹ軸方向移動ガイド面１５の近傍には、操作レバー１２のＸＹ軸方向の移動量を検出するためのリング状のＸＹ軸移動検出部２０が設けられている。ガイド部材１４のＺ軸方向移動ガイド面１６の近傍には、操作レバー１２のＺ軸方向の移動量を検出するためのＺ軸移動検出部２１が設けられている。ＸＹ軸移動検出部２０、およびＺ軸移動検出部２１は、図１に示す入力検出センサ２に相当している。【００１９】
ＸＹ軸移動検出部２０、およびＺ軸移動検出部２１は、操作レバー１２が中心位置Ｏにある状態（図３の操作レバー１２が、ガイド部材１４の収納部１３上に位置している状態）を基準として、操作レバー１２のＸＹ軸方向、Ｚ軸方向への移動量をそれぞれ検出する。ＸＹ軸移動検出部２０、およびＺ軸移動検出部２１はそれぞれ、ケーシング１０内に設けられた配線基板２２に接続されている。この配線基板２２上には、ＸＹ軸移動検出部２０とＺ軸移動検出部２１とともに、記憶部２３、情報処理部２４、制御部２５が設けられる。記憶部２３は、目標とされる状態量（基準仮想面）を記憶する。情報処理部２４は、ＸＹ軸移動検出部２０とＺ軸移動検出部２１によって得られた検出データに基づきワイヤ３５の駆動部３３の駆動量を演算する。制御部２５は、情報処理部２４による演算結果に基づき駆動部３３の調整力（提示力）をコントロールする。記憶部２３は、図１のデータベース５に相当する。情報処理部２４は、図１のシミュレータ算出部４に相当する。制御部２５は、図１のアクチュエータ制御部６に相当する。上記移動量を検出するＸＹ軸検出部２０及びＺ軸検出部２１は、光位置計測センサにより構成される。【００２０】
ガイド部材１４の収納部１３内には、ガイド移動部３０が設けられている。このガイド移動部３０は、中央部に貫通孔３１を有し、筒状に形成されている。ガイド移動部３０は、操作レバー１２が、ガイド部材１４の収納部１３内に押し込まれた場合に、操作レバー１２に押されて該操作レバー１２とともに下方に移動する。このガイド移動部３０の上面は、外部から力が加えられていない場合に、ＸＹ軸方向移動ガイド面１５の一部を形成し、その上面に沿って操作レバー１２がスライド可能となる。貫通孔３１の上部は、外側から中央部の貫通孔３１に向けて傾斜してワイヤ３５（後述する）を案内する傾斜面３１Ａが形成されている。ガイド移動部３０の下部と、ガイド部材１４の収納部１３の底面との間には、該ガイド移動部３０を上方に向けて付勢するための圧縮バネ３２が設けられている。【００２１】
ケーシング１０内でかつガイド部材１４の側部には、例えばステッピングモータ等により構成された駆動部３３が設けられている。この駆動部３３は、上述した触力覚提示アクチュエータ３に相当する。駆動部３３の出力軸には、プーリ３４が設けられている。このプーリ３４にはワイヤ３５が巻回されており、このワイヤ３５の先端は、ガイド移動部３０の貫通孔３１及び貫通孔３１の上部の傾斜面３１Ａを経由して操作レバー１２の下部に連結されている。【００２２】
駆動部３３が駆動（例えば、駆動軸が時計方向に回転）されてワイヤ３５がプーリ３４に巻かれていく場合に、操作レバー１２が、ガイド部材１４の収納部１３内に入り、圧縮バネ３２の付勢力に抗して、ガイド移動部３０とともに収納部１３内をＺ軸方向に降下する。駆動部３３が駆動（例えば、駆動軸が反時計方向に回転）されてワイヤ３５がプーリ３４から繰り出された場合には、操作レバー１２が開放される、又は操作レバー１２に対する引っ張り力が弱められた結果、圧縮バネ３２の付勢力と合わさり、操作レバー１２をＺ軸上方に押し上げる力が生じる。このようなワイヤ３５を通じた、触力覚提示アクチュエータ３である駆動部３３の駆動によって、操作レバー１２に対して触力覚提示力が付与される（詳細は後述する）。【００２３】
以上のような構成により、図３に示すように、操作者の指先により操作部１の操作レバー１２に対して、ＸＹ軸方向へスライド動作させると、操作レバー１２は、ＸＹ軸方向移動ガイド面１５に沿ってＸＹ平面を動く。このとき、ＸＹ軸検出部２０により、中心位置Ｏからずれた移動量が計測される。また、操作者の指先により操作部１の操作レバー１２に対して、中心位置ＯにてＺ軸方向への操作レバー１２の押し込み動作をさせた場合には、操作レバー１２が筒状のＺ軸方向移動ガイド面１６に沿って下方に動く。このとき該操作レバー１２の押し込まれた移動量は、Ｚ軸移動検出部２１により計測される。【００２４】
駆動部３３は、ワイヤ３５をプーリ３４により巻き取ることにより、操作部１の操作レバー１２に引張力を伝達して、操作レバー１２において触力覚として力を提示する。操作レバー１２の押し込み動作の際には、操作レバー１２とともに下方移動を行なうガイド移動部３０と、そのガイド移動部３０を支えかつ上方に付勢する圧縮バネ３２とによりＺ軸方向への静的な力を発生させ、さらにワイヤ３５による引張力との釣り合いと合わせて、操作レバー１２に対して触力覚を提示している。【００２５】
図４Ａ及び図４Ｂは、操作レバー１２による入力検出状態と、駆動部３３による出力提示方法の関係を説明するための図である。図４Ａは、ＸＹ軸方向のスライド動作入力時の各構成物の状態を表している。ガイド移動部３０は、圧縮バネ３２の力により操作部１の操作レバー１２の下面位置まで上昇している。操作レバー１２は、ＸＹ軸方向移動ガイド面１５とガイド移動部３０とによりＸＹ軸方向へのスライドのみ許容される。このときワイヤ３５は、圧縮バネ３２に対しては圧縮する力を与えていないフリーな状態にある。また、ワイヤ３５は、操作部１の操作レバー１２と接続されているため、ワイヤ３５を通して伝達する力は、操作レバー１２のＸＹ軸方向へのスライドへの入力動作に対する力の提示のみに使われる。すなわち、駆動部３３の駆動により必ず中心方向へ引き戻すような抗力の提示を行なう。この力を制御することにより、操作者のアクティブな入力動作に付随して抵抗力を発生させる触力覚の提示を行なう。【００２６】
図４Ｂは、操作レバー１２の押し込み動作入力時の各構成物の状態を表している。操作部１の操作レバー１２はＸＹ平面の中心位置Ｏにあって、ガイド移動部３０と共にＺ軸方向移動ガイド面１６により、Ｚ軸方向への動きのみ許容されている。このとき、操作レバー１２は、ワイヤ３５により引っ張られてガイド移動部３０を介して圧縮バネ３２を圧縮している。圧縮バネ３２は、操作レバー１２及びガイド移動部３０によって圧縮されることにより伸張方向への力を発生するとともに、ワイヤ３５の引っ張り又は繰り出しにより伝達される力との合力（バランス）により、操作レバー１２の調整力（提示力）の制御を行なう。これにより操作者には、目標とされる基準仮想面を把握するための「弾性力」「粘性力」「慣性力」といった調整力が提示される。【００２７】
次に、図１〜図５及び図６のフローチャートを参照して実施例１の全体の動作について説明する。図５は、仮想空間での操作ポインタと、目標とされる基準仮想面を形成する仮想物理情報とを表した図である。図５は、操作部１の操作レバー１２と連動して動く操作ポインタ４０を示している。この操作ポインタ４０は、操作部１の操作レバー１２と連動して、表示デバイス４１上に示される３次元の仮想空間４２内を移動し、アクチュエータ制御部６の制御結果を視覚的に表示する。この仮想空間４２は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸によって形成される空間であって、例えば、物理情報からなる仮想壁面４３や仮想底面４４によって構成される。操作レバー１２の動作によって示される操作ポインタ４０が、目標とされる仮想空間４２を形成する仮想壁面４３や仮想底面４４と接触すると、操作ポインタ４０と仮想壁面４３あるいは仮想底面４４とが互いに影響を及ぼしあう位置、力が算出され操作者へ触力覚として提示及び視覚情報として表示される。図５に示される表示デバイス４１は、図１に示される情報提示部７に対応している。【００２８】
図６は実施例１の触力覚提示装置の全体動作を表すフローチャートである。図６に示されるように、ステップＳ１０１では、操作者によって操作部１の操作レバー１２が操作された場合、操作レバー１２の位置情報を表示するために、入力検出センサ２（ＸＹ軸移動検出部２０及びＺ軸移動検出部２１に相当）が操作レバー１２の位置を検出する。すなわち、操作レバー１２のＸＹ平面又はＺ軸方向への入力位置を検出し、検出データａとして電気的信号を出力する。【００２９】
次に、ステップＳ１０２では、シミュレータ算出部４（情報処理部２４）は、データベース５（記憶部２３）の仮想物理データｂを参照し、仮想物理データｂと入力検出センサ２からの検出データａとを比較し、仮想的な配置関係及び力の釣り合いの関係により、仮想物理データｂを更新し、情報表示部７（表示デバイス４１）に視覚的な情報を表示させるためのデータである表示データｅを出力し、さらに、操作者に触力覚として提示するための提示データｃを、アクチュエータ制御部６（制御部２５）に出力する。【００３０】
次に、ステップＳ１０３では、情報表示部７（表示デバイス４１）は表示データｅを受け取り、図５に示すように、ディスプレイなどの視覚情報として表示するためのデバイスに情報を表示する。また、アクチュエータ制御部６（制御部２５）は、シミュレータ算出部４から受け取った提示データｃに基づき操作者に触力覚として提示するための制御データｄを生成し、触力覚提示アクチュエータ３（駆動部３３）に出力する。【００３１】
上述した図６のフローチャートにおいて、ステップ１０２によって「シミュレータ算出ステップ」が構成される。また、ステップＳ１０３によって「触力覚提示アクチュエータ制御ステップ」が構成される。【００３２】
次に、各ステップにおける本発明の実施例１の触力覚提示装置の詳細動作について図７Ａ及び図７Ｂのイメージ図及び図８のフローチャートを参照して、具体的に説明する。図７Ａは操作部１の操作レバー１２の動作を示し、図７Ｂは仮想空間４２での操作ポインタの詳細動作を示している。ステップＳ１０１において、入力検出センサ２により操作部１の操作レバー１２への移動入力が検出されると、図７Ｂに示すように、操作レバー１２の移動に応じて仮想空間４２内の操作ポインタ４０が移動する。このとき、操作レバー１２の移動量に応じて仮想空間４２内の操作ポインタ４０が移動すると、仮想空間４２内での操作ポインタ４０の移動範囲が制限されてしまう。このため、操作レバー１２の移動量に応じて、操作ポインタ４０の動作速度を変化させる。移動範囲を限定する際には、操作レバー１２の移動量と仮想空間４２内の操作ポインタ４０の移動量とを対応付けても良い。また、操作部１の操作レバー１２の移動量と操作ポインタ４０の移動量を対応付ける領域と、操作レバー１２の移動量と操作ポインタ４０の動作速度とを対応付ける領域とを複合して設定しても良い。【００３３】
図８は、シミュレータ算出部４及びアクチュエータ制御部６からなる演算制御部Ｃの制御内容を表すフローチャートである。このフローチャートは、操作者によって操作される操作レバー１２に対して、ＸＹ軸方向（ＸＹ平面方向）に対する「抗力（提示力）」、Ｚ軸方向に対する「弾性力」「粘性力」「慣性力」といった「調整力」の提示を行うための制御内容である。【００３４】
操作者によって操作部１の操作レバー１２が操作された場合、ステップＳ２００では、先のステップＳ１０１にて検出された入力検出センサ２（ＸＹ軸移動検出部２０及びＺ軸移動検出部２１に相当）による検出結果に基づき、操作ポインタ４０の移動量が、ＸＹ平面に対してなされたものか、Ｚ軸方向に対してなされたものかを判別する。入力動作がＸＹ平面への入力であると判断されると、処理がステップＳ２０１に進む。一方、入力動作がＺ軸方向への入力であると判断されると、処理がステップＳ３０１に進む。【００３５】
ステップＳ２０１にて、仮想空間４２内のＸＹ平面内の操作ポインタ４０の移動を行なわせた後、ステップＳ２０２にて、仮想空間４２内における仮想壁面４３の物理情報である仮想物理データｂを参照し、仮想壁面４３と操作ポインタ４０と接触判定を行う。ここでは、操作ポインタ４０及び仮想壁面４３はポリゴンなどメッシュにより構成されている。３Ｄ仮想物体としてのポリゴンの各頂点の位置関係から仮想壁面４３と操作ポインタとの接触判定を行なった後、処理がステップＳ２０３に進む。【００３６】
ステップＳ２０３では仮想壁面４３と操作ポインタ４０とが互いに影響しあう位置、力を算出する。これについて、仮想空間４２での操作ポインタ４０と仮想物理データとの関係を表した図９Ａを参照して説明する。図９Ａに示すように、ＸＹ平面への移動により操作ポインタ４０と仮想物理データｂの仮想壁面４３が接触すると、仮想壁面４３の３Ｄ仮想物体が持つ仮想的なバネ係数、ダンパ係数、マス係数と操作部１の操作レバー１２の操作に応じて動く操作ポインタ４０の動きとの関係から物理的なシミュレーションにより仮想壁面４３及び操作ポインタ４０の互いの仮想物体に生じる位置と力の変化を算出する。この物理シミュレーションは幾何的な力の相互関係を算出する解析法、仮想物体の互いの侵入量に応じて力を発生させるペナルティ法など既存の手法により算出される。仮想壁面４３は壁と表現しているが、ＸＹ平面方向への力を提示する仮想物体である。仮想壁面４３の仮想的な質量を大きくする、又は仮想壁面４３を仮想底面４４と接続すれば、操作ポインタ４０で押しても動かない壁のような表現ができる。仮想壁面４３を仮想底面４４と分離しかつ適切な仮想質量を与えれば、仮想物体として移動する仮想壁面４３を表現できる。このような演算を行った後、処理がステップＳ２０４に進む。【００３７】
ステップＳ２０４において、仮想壁面４３が接触により及ぼされる位置と力の変化は、前述のＳ１０２におけるデータベースの仮想物理データｂとして更新される。操作ポインタ４０が接触により及ぼされる位置と力の変化は、操作部１の操作レバー１２への触力覚として操作者に提示される。仮想壁面４３と操作ポインタ４０の位置の変化は視覚情報として表示デバイス４１に表示される。このときの操作部１の操作レバー１２の入力検出状態と出力提示方法とは図４Ａの状態になっている。圧縮バネ３２は、操作部１の操作レバー１２の移動をＸＹ平面内のみに限定しているだけで、直接触力覚として操作者に提示される力はない。駆動部３３が駆動された場合には、ワイヤ３５を発生させる触力覚に応じて引張することにより、その引張力が操作部１の操作レバー１２に触力覚として操作者に提示される。【００３８】
図１０Ａおよび図１０Ｂは操作部１の操作レバー１２と仮想空間４２での操作ポインタと仮想壁面との関係を表した図である。図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、ＸＹ平面内での入力操作の場合、操作部１の操作レバー１２の入力操作方向と反対側にのみ力を提示できる。このため、仮想壁面４３への接触時以降に、操作レバー１２の入力操作方向が変わった場合は、物理シミュレーションにより算出される仮想壁面４３からの反力を、操作レバー１２からＸＹ平面中心方向へ射影した力のみを提示する。仮想壁面４３に当たった状態で接触面方向へ移動する際に摩擦が生じる場合には、仮想壁面４３からの反力と摩擦力の合力を、操作レバー１２からＸＹ平面中心方向へ射影した力のみを提示する。【００３９】
次に、図８のステップＳ２００において、入力動作がＺ軸方向への入力であると判断された場合のステップＳ３０１〜Ｓ３０４における処理について説明する。【００４０】
ステップＳ３０１では、仮想空間４２内のＺ軸方向の操作ポインタ４０の移動を行なう。次に、処理がステップＳ３０２に進む。操作ポインタ４０がＸＹ平面上へ移動をしていない場合にはＸＹ平面への入力操作がない。つまり、操作部１の操作レバー１２がＸＹ平面の中心に位置しており、Ｚ軸方向への操作に限定される。【００４１】
次のステップＳ３０２では、仮想空間４２内における仮想物体である仮想底面４４の物理情報である仮想物理データｂを参照し、仮想底面４４と操作ポインタ４０とが接触しているか否か判定する。ステップＳ２０２と同様の接触判定を行った後、処理がステップＳ３０３に進む。【００４２】
ステップＳ３０３では、図９Ｂに示すように、ＸＹ平面の中心位置ＯにてＺ軸方向への移動により操作ポインタ４０と仮想物理データｂの仮想底面４４が接触する場合において、仮想底面４４の３Ｄ仮想物体が持つ仮想的なバネ係数、ダンパ係数、マス係数と、操作部１の操作レバー１２の操作に応じて動く操作ポインタ４０の動きとの関係から、物理的なシミュレーションを行い、仮想底面４４及び操作ポインタ４０の互いの仮想物体に生じる位置と力の変化を算出する。その後、処理がステップＳ３０４に進む。このステップＳ３０３における物理シミュレーションはステップＳ２０３と同様である。仮想底面４４も仮想壁面４３と同様に仮想物体としてとらえ、仮想壁面４３の仮想質量と、他の仮想底面４４と仮想壁面４３との接続関係により、仮想壁面４３を、移動を行わない底面として表現、および仮想物体として移動するＺ軸方向での仮想物体として表現できる。【００４３】
ステップＳ３０４では、仮想底面４４が接触により及ぼされる位置と力の変化はＳ１０２におけるデータベースの仮想物理データｂとして更新される。操作ポインタ４０が接触により及ぼされる位置と力の変化は、操作部１の操作レバー１２への触力覚として操作者に提示される。仮想底面４４と操作ポインタ４０の位置の変化は視覚情報として表示デバイス４１に表示される。【００４４】
このときの操作部１の操作レバー１２の入力検出状態と出力提示方法とは図４Ｂの状態になっている。操作部１の操作レバー１２及びガイド移動部３０はＸＹ平面方向への動きが制限されていて、操作レバー１２はワイヤ３５により引張られるとガイド移動部３０と一体になり、圧縮バネ３２を圧縮する。圧縮バネ３２は圧縮されることにより伸張方向への力を発生する。この圧縮バネ３２による力と駆動部３３が駆動されることでワイヤ３５により伝達される力と合力が、操作部１の操作レバー１２の調整力（提示力）として操作者に提示される。【００４５】
Ｚ軸方向での力の提示においては、操作者による入力に対する抵抗力のほか、操作部１の操作レバー１２を任意のタイミングで上下（正負）どちらの方向にも制御可能であるため、目標とされる基準仮想面を把握するための「弾性力」「粘性力」「慣性力」といった調整力が提示を行うことが可能になる。「弾性力」に関しては操作しようとする位置の変化に比例して抵抗が生じる方向に力を提示することが一般的であるが、操作しようとする方向に対して逃げるような力の提示も可能である。同様に「粘性力」「慣性力」においても操作している方向とは関係なく力の提示が可能であるため、流れている液体を触ったときに動かされるような感覚や、動いている物体に対する接触などの触力覚の提示が可能なる。【００４６】
次に本発明により、操作者のアクティブな動作に付随する触力覚を提示する実現可能な動作について説明する。【００４７】
ウエブサイトにおける有害リンクへの警告に利用可能である。子どもにとって有害なホームページへのリンクへは移動できなくなる、その他一般ユーザにとっても有害なサイトを含む場合に移動しにくくなる等の触力覚提示による警告が可能になる。【００４８】
マスタ、スレーブのロボットアームなどの入力操作の動作反応に利用可能である。ロボットアームやラジオコントロールなど実物体を操作する場合に障害物に接触した場合における動作反応や、障害物に当たる前の警告の際の動作反応をマスタ側の入力操作部に触力覚提示によりを行うことが可能である。【００４９】
ドライブシミュレータなどのゲーム操作の反応として利用可能である。自動車や飛行機などの運転操作をシミュレートするゲームにおいて、カーブを際の動作反応などを触力覚提示により行うことが可能である。【００５０】
触地図などの状態把握に利用可能である。視覚障害者における地図把握、そのほか一般ユーザにおける３Ｄ迷路のような壁や道順を理解する際に、触力覚の反応を用いることで状態の把握をすることができる。【００５１】
文字学習における漢字書き順の情報提示に利用可能である。子どもが漢字学習における文字の書く順番を理解するため、書き順やとび、はね等、入力に沿った方向以外の入力に抵抗力を触力覚として提示することで、学習のための補助をする。【００５２】
機器操作の際のクリック感覚のフィードバックとして利用可能である。入力のためのキー操作に関して、触力覚によるフィードバックは重要である。このため、ユーザにとって理解しやすい力フィードバックや従来のクリック感覚とは異なる力フィードバックを返すことによる入力変化の気付きなど、入力のフィードバックを自由に変更することができる。【００５３】
ピアノなどの楽器操作、手術シミュレーションや粘土造形のフィードバックとして利用可能である。機器使用の事前学習やエンタテイメントのひとつとして入力に対する機器のフィードバックとして触力覚提示をすることができる。【００５４】
触力覚商品情報の状態認識に利用可能である。実店舗での商品購入と異なり、ウエブサイトやテレビでの商品購入において問題となるのが商品の実感である。商品に触った際の触覚情報を提示することにより、より商品を理解したうえでの購入に結びつけることができる。【００５５】
錯視絵の理解などエンタテイメントとして利用可能である。視覚情報と触力覚の提示情報を一致しない情報を与えることにより、ユーザに違和感を提示する。例えばＭＡＵＲＩＴＳ  ＣＯＲＮＥＬＩＳ  ＥＳＣＨＥＲ作の螺旋階段が続く錯視絵は、実物としては触ることができないが、仮想物理情報のみを扱う本発明の触力覚の入出力提示装置により、錯視絵に触れることもできる。【００５６】
本実施例では、駆動部３３とワイヤ３５は別体である。しかしながら、これに限られず、電気的に伸び縮みを制御可能なワイヤ状のアクチュエータであるバイオメタルなどを駆動部３３として用いても良い。本実施例では、ＸＹ軸移動検出部２０及びＺ軸移動検出部２１は光により位置を計測するセンサにより構成されている。ＸＹ軸移動検出部２０及びＺ軸移動検出部２１は、位置を計測できればよく、例えば、磁気センサを用いてもよい。本実施例では、圧縮バネ３２はコイル状バネにより構成されている。圧縮バネ３２は、復元力を持たせる機構であればよく、例えば板バネでもよい。本実施例では、Ｚ軸方向移動ガイド面１６を筒状とし操作部１の操作レバー１２のＺ軸方向の移動をガイドしている。しかしながら、動きを制限できればよく、例えば、操作部１の操作レバー１２の中心に穴が開いており、棒状のＺ軸方向移動ガイド面１６により、操作レバー１２のＺ軸方向の移動をガイドしても良い。本実施例では、Ｚ軸方向への操作レバー１２の押し込みをガイドするＺ軸方向移動ガイド面１６はＸＹ平面上の中心位置Ｏに配置してある。しかしながら、Ｚ軸方向への操作レバー１２の押し込みをガイドすることができれば、例えば、ＸＹ平面上の配置比率が異なる位置である中心位置Ｏ以外であってもよい。【００５７】
実施例１では、ケーシング１０の中央にガイド部材１４の収納部１３を位置させている。しかしながら、これに限定されず、ケーシング１０の中央から偏心した位置に、ガイド部材１４の収納部１３を位置させても良い。実施例１では、触力覚提示アクチュエータ３を構成している駆動部３３を、一つのアクチュエータにより構成したが、このアクチュエータの台数は特に限定されない。【００５８】
以上詳細に説明したように本発明の実施例１に示される触力覚提示装置では、ＸＹ軸移動検出部２０及びＺ軸移動検出部２１によって、操作レバー１２のＸＹ平面のスライド動作とＺ軸方向への押し込み動作とを検出した後、シミュレータ算出部４及びアクチュエータ制御部６からなる演算制御部Ｃにて、検出部の検出結果に基づき操作レバー１２の操作に対応した力を演算している。その後、駆動伝達部Ｄでは、少なくとも一つのアクチュエータからなる駆動部３３によって、演算制御部Ｃの演算結果に基づき、駆動部３３に対してＸＹ平面でのスライド動作に対する操作レバー１２の抗力（提示力）、及びＺ軸方向への押し込み動作に対する調整力（提示力）を発生させてその力を操作レバー１２に伝達するようにした。すなわち、実施例１に示される触力覚提示装置では、少なくとも一つのアクチュエータからなる駆動部３３によって、ＸＹ平面でのスライド動作に対する操作レバー１２の抗力（提示力）、及びＺ軸方向への押し込み動作に対する操作レバー１２の調整力（提示力）を発生させるようにした。このため、操作者のアクティブな操作レバー１２の動作に付随する触力覚を提示することができ、少ないアクチュエータでありながら多様な触力覚表現を提示することが可能となる。その結果、機器の大型化につながるアクチュエータの構造を簡易にすることができ、可搬性を重視する携帯機器や機器に付随するコントローラにおける触力覚提示において、軽量、小型、低価格化、省エネルギー化、操作性向上を図り、かつ表現力の高い触力覚提示を行なうことができる。
【実施例２】
【００５９】
次に、図１１を参照して本発明の実施例２を説明する。以下の説明において実施例１と同じ構成要素については同一符号を付し重複した説明を省略する。【００６０】
実施例２に係る触力覚提示装置は、入力検出センサ２として設けられたＸＹ軸移動検出部及びＺ軸移動検出部を、圧電素子によって構成した点において、実施例１の構成と相違する。すなわち、操作レバー１２の側部には、圧電素子からなるＸＹ軸移動検出部５０が設けられている。また、操作レバー１２の下部には、同じく圧電素子からなるＺ軸移動検出部５１が設けられている。【００６１】
これらＸＹ軸移動検出部５０及びＺ軸移動検出部５１は、操作部１の操作レバー１２にかかる力を検出する。ＸＹ軸移動検出部５０及びＺ軸移動検出部５１からの出力に基づき、情報処理部２４（シミュレータ算出部４）は、操作レバー１２の移動方向及び移動量を算出している。【００６２】
このような圧電素子からなるＸＹ軸移動検出部５０、Ｚ軸移動検出部５１を用いた場合には、図８に示されるステップＳ２０１及びステップＳ３０１での操作ポインタ４０の移動量に関しては、ＸＹ軸移動検出部５０およびＺ軸移動検出部５１によって検出される力の大きさに応じて、操作ポインタ４０の動作速度を変化させる。このような圧電素子を使用した場合、操作レバー１２の操作において移動方向の制限がなくなる。よって、操作レバー１２に対する入力動作に対応して、操作ポインタ４０を、ＸＹＺ空間内にて任意の方向に移動させ、ステップＳ２００において、ＸＹ平面に対する移動量、又はＺ軸方向に対す移動量として成分の分類を行うことで、ステップＳ２０１、Ｓ３０１以降の処理を行うようにすると良い。これにより、少なくとも操作レバー１２による入力動作に関して、仮想３次元空間上の操作ポインタ４０の動作方向の制限がなくなる。
【実施例３】
【００６３】
次に、図１２Ａおよび図１２Ｂを参照して本発明の実施例３を説明する。実施例３は、実施例１に対し、力の伝達と方向を変換する機構の構成を変更している点で相違する。以下の説明において先の実施例と同様の構成要素については同一符号を付し重複した説明を省略する。【００６４】
図１２Ａ及び図１２Ｂは本発明の実施例２の入力検出状態と出力提示方法との関係を表した図である。実施例１においては、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、ワイヤ３５を引張させることにより力を伝達していたことと、ワイヤ３５による引張力と圧縮バネ３２の圧縮に対する伸張力の合力により力を提示していた。一方で、本実施例では、力の伝達をするのにリンク機構を有する方向転換部６０を用いている。操作部１の操作レバー６１と、方向変換リンク部材６３とを方向変換リンク部材６３のボールジョイント６２により接続することにより、ＸＹ平面方向とＺ軸方向とにおける力を提示する方向を変換している。また、ネジ６４を用い回転をガイド移動部３０の平行移動に変換して力を伝達する。【００６５】
具体的には、実施例３に示される操作レバー６１は、下部面が中央部から周縁部に向けて上方に傾く傾斜面６１Ａを有する。すなわち、操作レバー６１は、中央が下方に向けて突出した形状に形成されている。傾斜面６１Ａに合わせて、ガイド部材１４のＸＹ軸方向移動ガイド面１５の内周部も、Ｚ軸方向移動ガイド面１６に向けて下方に傾斜する傾斜面１５Ａに形成されている。このような操作レバー６１の傾斜面６１Ａが、ＸＹ軸方向移動ガイド面１５の傾斜面１５Ａに案内されることで、操作レバー６１が、ガイド部材１４の収納部１３内に対して出入りできる。【００６６】
操作レバー６１の下部中央とガイド移動部３０との間には回動自在なボールジョイント６２を両端部に有する方向変換リンク部材６３が設けられている。方向変換リンク部材６３は、ボールジョイント６２により、操作レバー６１の下部中央とガイド移動部３０とそれぞれ連結している。ガイド移動部３０の下部には、ネジ６４が連結されている。このネジ６４は、図示しないアクチュエータである駆動部によって回転駆動される。ネジ６４は、この回転駆動によってガイド移動部３０をＺ軸に沿って移動させることができる。【００６７】
力の提示をする際の動作について、図１２Ａを参照して説明する。操作者がＸＹ平面上の移動を操作部１の操作レバー６１に対して行うと、制御部２５からの指令に基づき、駆動部が駆動されることでネジ６４が回転し、これによってガイド移動部３０をＺ軸方向に平行移動させ力を発生させる。方向変換リンク部材６３によりガイド移動部３０がＺ軸方向に下げられる力を、操作部１の操作レバー６１がＸＹ平面内で中心に向かう力へ方向を変換する。その結果、操作レバー６１の入力操作に対する抗力（提示力）を発生させることができる。
このとき、操作レバー６１の底面とＸＹ軸方向への移動へ限定するための傾斜面１５Ａ及び６１Ａの傾きを適宜、調整することにより、方向変換リンク部材６３によるガイド移動部３０のＺ軸方向の力を、操作部１の操作レバー６１のＸＹ軸方向の力に変換し易いようにしても良い。【００６８】
次に、力の提示をする際の動作について、図１２Ｂを参照して説明する。操作者がＺ軸方向への移動を操作部１の操作レバー６１に対して行うと、ネジ６４を回転させガイド移動部３０を更にＺ軸方向に下げる力を発生させる。方向変換リンク部材６３によりガイド移動部３０と、操作部１の操作レバー６１とを一体化させた状態でＺ軸方向への力を提示するため、操作部１の操作レバー６１への入力操作に対する抗力（提示力）を提示するように制御可能になる他、任意のタイミングで上下（正負）どちらの方向にも触力を提示するように制御可能になる。【００６９】
実施例１ではＺ軸方向での力の提示する際に、正負の力を発生させるために、ワイヤ３５の引張力と圧縮バネ３２の伸張力とを用いていた。一方で、実施例３では駆動部によってネジ６４を回転させることにより正負の力をコントロールできるため、より効率的に力を発生させることが可能になる。また、ＸＹ軸方向移動ガイド面１５での入力動作に対して、操作部１の操作レバー６１がＸＹ平面内で中心に向かう方向への抗力（提示力）を提示できるが、操作部１の操作レバー６１が中心から外に向かう方向への抗力（提示力）の提示もできる。
【実施例４】
【００７０】
次に、図１３Ａおよび図１３Ｂを参照して本発明の実施例４を説明する。実施例４は、実施例１に対し、力の提示手段の機構の構成を変更した点で相違する。以下の説明において先の実施例と同様の構成要素については同一符号を付し重複した説明を省略する。また、ネジ６４を回転させることによってガイド移動部３０をＺ軸方向に移動させる構成は、実施例３と同様である。【００７１】
図１３Ａ及び図１３Ｂは本発明の第４の実施例の入力検出状態と出力提示方法との関係を表した図である。実施例１においては、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、ＸＹ平面への力の提示に関して、ワイヤ３５の引張り力により操作部１の操作レバー６１に力を提示していた。一方で、本実施例では、ＸＹ平面への力の提示に関して、図１３Ａに示すように、ストッパー７０を用いカバー１７の動きを止めることにより入力操作に対する抗力（提示力）を発生させる。【００７２】
このストッパー７０は、一端部がガイド移動部３０に連結され、かつ他端部が蓋部材１１のスリット１１Ｂ内に突出可能に設けられている。図１３Ａに示すように、操作レバー１２がＸＹ軸方向移動ガイド面１５上にある状態で、ネジ６４を回転させてガイド移動部３０をＺ軸方向上方に移動させることで、ストッパー７０の他端部を、蓋部材１１のスリット１１Ｂ内に突出させる。その結果、ストッパー７０とカバー１７とにより操作レバー１２のＸＹ軸方向の移動が規制される。【００７３】
Ｚ軸方向への力の提示に関しては、実施例１ではワイヤ３５の引張力と圧縮バネ３２の圧縮に対する伸張力の合力により力を提示していた。一方で、この実施例４では、図１３Ｂに示されるように、ガイド移動部３０の上下（正負）方向の移動をネジ６４の回転により力を発生させることにより、ガイド移動部３０に接触している操作部１の操作レバー６１をＺ軸方向への触力覚提示が可能になる。Ｚ軸方向への触力覚提示においては、操作部１の操作レバー６１に入力操作に対する抗力（提示力）を提示できる他、任意のタイミングで上下（正負）方向のどちらにも触力覚提示が可能になる。【００７４】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。【００７５】
この出願は、２００９年２月１７日に出願された日本出願特願２００９−０３４０４９を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明の触力覚提示の技術は、携帯電話、ＰＤＡ、ノートＰＣ、ゲーム機、テレビリモコンといった電子機器の操作部に適用できる。
【符号の説明】
【００７７】
１     操作部
２     入力検出センサ
３     触力覚提示アクチュエータ
４     シミュレータ算出部
５     データベース
６     アクチュエータ制御部
７     情報表示部
１２   操作レバー
１５   ＸＹ軸方向移動ガイド面
１６   Ｚ軸方向移動ガイド面
２０   ＸＹ軸移動検出部（センサ）
２１   Ｚ軸移動検出部（センサ）
２３   記憶部
２４   情報処理部
２５   制御部
３０   ガイド移動部
３３   駆動部
５０   ＸＹ軸力検出部
５１   Ｚ軸力検出部
６０   方向転換部
６１   操作レバー
Ｃ     演算制御部
Ｄ     駆動伝達部
Ｏ     中心位置
ａ     検出データ
ｂ     仮想物理データ
ｃ     提示データ
ｄ     制御データ
ｅ     表示データ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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