(57)【要約】  簡素な構造で、操作者に対して一方向の力のみを際だって知覚させることができる力覚発生装置を提供する。  回転軸を中心に回転可能な円板（６）と、円板（６）の一方の平面に、回転軸（５）を囲むように形成されたカム溝（７）と、円板（６）の回転軸中心に垂直な直線上に配置され、円板（６）の回転に伴って回転するカム溝（７）によって直線（Ｇ）上を往復運動させられるフォロワー（８）と、フォロワー（８）に設けられた錘（９）とを備え、カム溝（７）はフォロワー（８）が直線（Ｇ）上を往動させられる第１の角度範囲（θ１）と、フォロワー（８）が直線（Ｇ）上を復動させられる第２の角度範囲（θ２）を有し、第１の角度範囲（θ１）と第２の角度範囲（θ２）とで錘（９）の加速度が異なるカム形状となるように構成する。
2016170907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重心に回転軸を有して回転する円板と、前記円板を回転駆動するモータと、前記円板の表面に前記回転軸を囲むように形成されたカムと、前記円板の回転軸と垂直な直線軌跡に沿って往復移動する錘と、前記錘に設けられて前記カムから移動力が与えられるフォロワーと、を有しており、  前記カムは、第１の角度範囲と第２の角度範囲を有し、前記円板が一方向へ回転するときに、前記第１の角度範囲と前記第２の角度範囲とで、前記錘が互いに逆向きに移動させられ、且つ前記第１の角度範囲と前記第２の角度範囲とで、前記錘が異なる加速度で移動させられることを特徴とする力覚発生装置。
【請求項２】
前記フォロワーを前記円板の半径方向へ所定の距離だけ移動させるのに要する角度は、前記第１の角度範囲の方が前記第２の角度範囲よりも小さくなるように、前記カムの形状が決められている請求項１記載の力覚発生装置。
【請求項３】
前記錘の移動方向に向く一方の端部に前記フォロワーが設けられ、前記フォロワーは前記回転軸を挟んだ一方の側でのみ移動し、前記錘の他方の端部は、前記回転軸を挟んだ他方の側でのみ移動する請求項１または２記載の力覚発生装置。
【請求項４】
前記円板が１回転する間に、前記第１の角度範囲と前記第２の角度範囲が、この順で複数回現れる請求項１ないし３のいずれかに記載の力覚発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、一定の方向の力を知覚させることができる力覚発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  特許文献１および特許文献２には、所定の質量を有する物体を往復移動させて、操作者に対して一定の方向へ力を知覚させることができる力覚発生装置が記載されている。【０００３】  特許文献１の力覚発生装置は、環状のカム溝が形成された平板カムと、質量を持って回転する回転体と、この回転体とともにカム溝に沿って回転するカムフォロワーとを備えている。回転体は、カム溝の内側に配置される回転中心に、コイルバネを介して接続されている。カム溝は、回転中心とカムフォロワーとの距離が急に短くなる曲面と、徐々に長くなる曲面とを備える。前記カム溝に沿って回転体とカムフォロワーを回転させて、コイルバネが延びる方向と縮む方向とで非対称な加速度を発生させることによって、力覚を発生させている。【０００４】  特許文献２の力覚発生装置は、回転軸周りに偏心して回転する楕円カムと、楕円カムの回転中心からずれた位置で上下動するように配置されたガイド棒とを備える。ガイド棒の下端は楕円カムの側面であるカム面に接触しており、上端には錘が固定されている。楕円カムを偏心して回転させると、ガイド棒が上方に動くときと下方に動くときとで非対称な加速度を発生させることができ、力覚を発生させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２１００１０号公報
【特許文献２】国際公開第２００７／０８６４２６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  特許文献１の構成では、質量を有する回転体がカムフォロワーとともに回転するので、知覚させたい力の方向とは異なる方向にも加速度が生じてしまう。この加速度が振動を引き起こすため、一方向の力のみを際だって知覚させるのは難しい。この点、特許文献１では、上述した平板カムに、同様のカム溝が形成された平板カムを下側に向けて重ねて設け、下側のカムフォロワーを上側と同じ質量を有する回転体とともに逆回転させることで、知覚させたい力の方向以外の方向の加速度を相殺できるとする構成も記載されている。ところが、このような構成では、平板カムと回転体とカムフォロワーからなる構成が上下に２つ必要になり、さらにこれらを別々に駆動する駆動系も必要になるので、構造が複雑になる。しかも、この構成では加速度を相殺させるために、知覚させたい力の方向以外の方向での上下のカムフォロワーの回転角度が常に正確に逆向きになるように動かす必要があり、これらの回転が少しでもずれると、知覚させたい力の方向以外の方向の加速度が相殺されずに、振動が発生してしまう。【０００７】  また、特許文献２の構成では、楕円カムを偏心して回転させるため、この構成においても振動が発生し易いため、一方向の力のみを際だって知覚させるのは難しい。この点、特許文献２には、上述した楕円カムと同じ形状の楕円カムを、上述した楕円カムと同軸上に配置した回転軸に設けて逆回転させることにより、知覚させたい力の方向とは異なる方向に発生する力ベクトルの総和をゼロにする構成も記載されている。ところが、このような構成では、２つの楕円カムとこれらを駆動する駆動系がそれぞれ必要になるので、構造が複雑になる。しかも、２つの楕円カムを別々に正確に逆回転させる必要があり、２つの楕円カムの回転が少しでもずれると、知覚させたい力の方向以外の方向の力ベクトルが相殺されずに、振動が発生してしまう。このように、特許文献１及び特許文献２の構成では、振動の発生を効果的に抑えるためには、２つのカムフォロワーや２つの楕円カムを正確に逆回転させるための高性能な制御が必要になる。【０００８】  本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、簡素な構造で、操作者に対して一方向の力のみを際だって知覚させることができる力覚発生装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  本発明の力覚発生装置は、  重心に回転軸を有して回転する円板と、前記円板を回転駆動するモータと、前記円板の表面に前記回転軸を囲むように形成されたカムと、前記円板の回転軸と垂直な直線軌跡に沿って往復移動する錘と、前記錘に設けられて前記カムから移動力が与えられるフォロワーと、を有しており、  前記カムは、第１の角度範囲と第２の角度範囲を有し、前記円板が一方向へ回転するときに、前記第１の角度範囲と前記第２の角度範囲とで、前記錘が互いに逆向きに移動させられ、且つ前記第１の角度範囲と前記第２の角度範囲とで、前記錘が異なる加速度で移動させられることを特徴とする。【００１０】  本発明の力覚発生装置によれば、カムの回転によって、フォロワーが錘とともに直線上を往復運動する。フォロワーと錘が往動する第１の角度範囲と、フォロワーと錘が復動する第２の角度範囲とでは加速度が異なるようにカムが形成されているので、操作者に対してフォロワーの往動時と復動時の加速度の差に応じた力を直線の方向に知覚させることができる。錘は直線でのみ運動するように制限され、質量の偏りがほとんどない円板をその重心を中心に回転させているため、操作者に知覚させたい力の方向以外の方向には加速度や力が発生せず、振動もほとんど発生しない。よって、操作者に一方向の力のみを際だって知覚させることができる。また、振動がほとんど発生しないので、従来のように振動を抑制するために同じ構成のものを２つ並べて互いに反対方向に回転させるなどの構成が不要であり、装置構成を簡素化することができる。【００１１】  本発明の力覚発生装置では、前記フォロワーを前記円板の半径方向へ所定の距離だけ移動させるのに要する角度は、前記第１の角度範囲の方が前記第２の角度範囲よりも小さくなるように、前記カムの形状が決められているものである。【００１２】  本発明の力覚発生装置は、前記錘の移動方向に向く一方の端部に前記フォロワーが設けられ、前記フォロワーは前記回転軸を挟んだ一方の側でのみ移動し、前記錘の他方の端部は、前記回転軸を挟んだ他方の側でのみ移動することが好ましい。【００１３】  上記構成の力覚発生装置では、錘が往復移動したときに、錘の移動軌跡が、円板の外周から大きく突出することがなくなるため、小型に構成することができる。【００１４】  本発明の力覚発生装置は、前記円板が１回転する間に、前記第１の角度範囲と前記第２の角度範囲が、この順で複数回現れるものとすることができる。
【発明の効果】
【００１５】  本発明の力覚発生装置によれば、操作者に知覚させたい力の方向以外の方向には加速度や力は発生しない。このため、振動もほとんど発生しないので、操作者に一方向の力のみを際だって知覚させることができる。また、振動がほとんど発生しないので、従来のように振動を抑制するために同じ構成のものを２つ並べて互いに反対方向に回転させるなどの構成が不要となり、装置構成を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態に係る力覚発生装置の全体構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す力覚発生機構の可動部を示す斜視図である。
【図３】図１に示す力覚発生機構の平面図である。
【図４】図１に示す力覚発生機構の動作説明図である。
【図５】本実施の形態における力覚発生機構の変形例を示す平面7図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】  本発明の力覚発生装置は、携帯用情報端末装置やゲーム装置など搭載されるものであり、操作者に対して擬似的に一定の方向へ引っ張られるような力を知覚させることができる。この装置は、魚釣りゲームなどの各種ゲームソフトの制御にリンクさせ動作させる。
【００１８】  図１は、本発明の実施の形態に係る力覚発生装置の全体構成を示す断面図であり、図２は、図１に示す力覚発生機構の斜視図であり、図３は平面図である。
【００１９】  図１に示す力覚発生装置１は、ケース２と、ケース２内に設けられ、Ｘ方向に擬似的な力Ｆを発生させる力覚発生機構３と、この力覚発生機構３を駆動するモータ４とを備える。本実施の形態では、モータ４がケース２内に支持されており、モータ４の下方に力覚発生機構３が配置されている。力覚発生機構３は、カムの回転運動を錘の直線上の往復運動に変換し、往動時と復動時の錘の加速度が非対称となるようにすることで、一方向に知覚される力Ｆを発生させるものである。
【００２０】  具体的には図２に示すように、力覚発生機構３は、モータ４によって回転させられる回転軸５を中心に回転可能な円板６を備える。この円板６はほぼ真円であり、質量の偏りはほとんどなく、回転軸５が重心に設定されている。円板６の一方の面、ここでは下側の平面６ａに、回転軸５を囲むように形成されたカム溝７が形成されている。
【００２１】  円板６の下側に錘９が設けられている。錘９はケース２の内部に形成された内壁２ａ，２ａに案内されて直線Ｇの軌跡に沿ってのみ移動できるように案内されており、直線方向以外には動かないように規制されている。錘９には、図３の図示左側の端部９ａ付近にピン状のフォロワー８が固定されており、フォロワー８がカム溝７を摺動している。
【００２２】  前記直線Ｇは、円板６の回転軸５の中心Ｏを通り且つ回転軸５と垂直に延びる移動軌跡を意味しており、フォロワー８はこの直線Ｇ上を移動する。直線Ｇは、錘９をＹ方向の幅寸法に二分してＸ方向に延びる中心線と一致している。よって、Ｘ方向へ往復移動する錘はＹ方向へ質量の偏りが生じないようになっている。
【００２３】  錘９は長尺形状（長方形状）であり、長手方向が移動方向であるＸ方向に向けられている。図３に示すように、錘９の左側の端部９ａに近い位置にフォロワー８が設けられている。図４に示すように、フォロワー８は、回転軸５を挟んだ左側の領域のみで移動し、錘９の右側に向く端部９ｂは、回転軸５を挟んだ右側の領域のみで移動する。この構造では、錘９を比較的大きくして質量を大きくでき、しかもＸ方向へ往復移動する錘９が、円板６の投影領域内から大きく突出することがない。また、図４に示すように、往復移動する錘９が円板６の投影領域内から突出しない構造とすることも可能である。
【００２４】  円板６を回転させると、その回転に伴ってカム溝７が回転し、カム溝７に挿入されているフォロワー８が、直線Ｇ上を往復運動させられる。これにより、錘９がＸ方向とその反対方向に往復運動させられる。
【００２５】  この場合、錘９がＸ方向に往動するとき（往動時）の加速度と、その反対側に復動するとき（復動時）の加速度が非対称となるようにすることで、操作者に一方向の力Ｆを知覚させることができる。この実施の形態では、錘９が図示左方向へ往動するときの加速度の方が、右方向へ復動するときの加速度よりも大きく、これが繰り返される。
【００２６】  これにより、操作者に擬似的にＸ方向の力Ｆを知覚させることができる。しかも、本実施の形態では、錘９が直線運動のみができるように制限され、錘９を回転させるのではなく、質量の偏りがほとんどない円板６をその重心を中心として回転させるので、操作者に知覚させたいＸ方向の力Ｆの方向以外の方向には加速度や力は発生しないため、振動はほとんど発生しない。このため、操作者にＸ方向の力Ｆのみを際だって知覚させることができる。
【００２７】  本実施の形態では、このようなフォロワー８と錘９が往動時と復動時の加速度が、カム溝７の形状によって設定されている。図３は、本実施の形態によるカム溝７の構成例を示す。図３に示すカム溝７は、カム溝７が１周（円板６が１回転）するごとに、フォロワー８と錘９が２回往復動するように構成されている。図３では、カム溝７のうち、フォロワー８と錘９が図示左方向へ往動するときの角度範囲を第１の角度範囲θ１とし、フォロワー８と錘９が図示右方向へ復動するときの角度範囲を第２の角度範囲θ２とすると、θ１＜θ２、θ１＋θ２＝１８０度である。
【００２８】  カム溝７は、第１の角度範囲θ１（往動時）での加速度が短い時間で急に大きくなるような曲線で構成され、第２の角度範囲θ２（復動時）での加速度が長い時間で小さくなるような曲線で構成されている。すなわち、円板６が回転する間に、フォロワー８を回転軸５を中心とする半径方向へ所定距離だけ移動させるのに要する回転角度は、第１の角度範囲θ１が第２の角度範囲θ２よりも十分に小さく設定されている。
【００２９】  なお、第１の角度範囲θ１（往動時）と第２の角度範囲θ２（復動時）は滑らかに連続している。このようなカム溝７では、フォロワー８と回転軸５の中心Ｏとの距離の変化量が、錘９の移動量となる。このとき、錘９の質量をＭとし、第１の角度範囲θ１での錘９の平均加速度をα１、第２の角度範囲θ２での錘９の平均加速度をα２とすれば、フォロワー８と錘９が一往復する度に、Ｘ方向にほぼＦ＝Ｍα１−Ｍα２の力を操作者に知覚させることができる。
【００３０】  次に、このような構成の力覚発生装置１の動作について説明する。図４は、本実施の形態における力覚発生機構３の動作説明図であり、図４（ａ）〜（ｃ）は円板６を矢印方向に回転させたときの状態の推移を示している。図４（ａ）は、フォロワー８が第１の角度範囲θ１の始点にあるときであり、図４（ｂ）は、フォロワー８が第２の角度範囲θ２の始点（第１の角度範囲θ１の終点）にあるときである。図４（ｃ）は、フォロワー８が第２の角度範囲θ２の終点（次の第１の角度範囲θ１の始点）にあるときである。
【００３１】  図４（ａ）に示す状態から、モータ４により円板６を矢印方向に回転させると、円板６の回転に伴ってカム溝７も同方向に回転し、図４（ｂ）に示す状態を経て、図４（ｃ）に示す状態まで回転する。図４（ａ）に示す状態から図４（ｂ）に示す状態までは、フォロワー８はカム溝７の第１の角度範囲θ１で摺動しながら、錘９とともに図示左方向へ往動する。このとき、フォロワー８と錘９は、大きな加速度により短時間でＸ方向に移動する。これに対して、図４（ｂ）に示す状態から図４（ｃ）に示す状態までは、フォロワー８はカム溝７の第２の角度範囲θ２で摺動しながら、錘９とともに図示右方向へ復動する。このとき、フォロワー８と錘９は、第１の角度範囲θ１よりも小さな加速度により、第１の角度範囲θ１よりも長時間でＸ方向に移動する。
【００３２】  このように、円板６を図４（ａ）に示す状態から図４（ｃ）に示す状態まで回転させると、円板６は１８０度回転し、フォロワー８と錘９は一往復する。さらに円板６が１８０度回転すると、フォロワー８と錘９はもう一往復する。このとき、フォロワー８と錘９は、大きな加速度により短時間でＸ方向に往動し、それよりも小さな加速度により長い時間でＸ方向とは反対方向に復動する。モータ４により円板６を回転し続けることにより、フォロワー８と錘９が、円板６の１回転当たり２往復する往復運動を繰り返す。これにより、操作者にＸ方向の力Ｆを知覚させることができる。
【００３３】  特に、本実施の形態では、上述したように振動がほとんど発生しないので、操作者にＸ方向の力Ｆのみを際だって知覚させることができる。また、振動がほとんど発生しないので、従来のように振動を抑制するために同じ構成のものを２つ並べて互いに反対方向に回転させるなどの構成は不要であるため、装置構成を簡素化することができる。
【００３４】  なお、本実施の形態では、図３の矢印方向に円板６を回転させた場合を例に挙げているが、これに限られるものではなく、図３の矢印方向とは反対方向に円板６を回転させるようにしてもよい。これにより、操作者にＸ方向とは反対方向の力を知覚させることができる。また、このような本実施の形態に係る力覚発生装置１を異なる方向に複数配置することで、所望の方向の力を操作者に知覚させることができる。また、図３に示すカム溝７は、往動時の第１の角度範囲θ１と復動時の第２の角度範囲θ２をこの順に２連続させて一周になるように形成した場合を例に挙げたが、これに限られるものではない。第１の角度範囲θ１と、第２の角度範囲θ２の角度はそれぞれ自由に変えることができる。この場合、カム溝７は、第１の角度範囲θ１と第２の角度範囲θ２をこの順に３連続させて一周になるように形成してもよい。第１の角度範囲θ１と第２の角度範囲θ２の連続数を多くするほど、円板６の１回転あたりに、フォロワー８と錘９が往復する回数を増やすことができる。また、カム溝７は、第１の角度範囲θ１と第２の角度範囲θ２とで一周になるように形成してもよい。
【００３５】  また、本実施の形態では、円板６の一方の面に形成するカムとして、図３に示すようなカム溝７を形成した場合を例に挙げたが、これに限られるものでない。例えば図５に示すように、円板６の下方の平面６ａに、図３に示すカム溝７と同様の曲線を有する突起１０を下方に向けて突出するように形成し、この突起１０をカムとしてもよい。この場合は、図５に示すように、カムとしての突起１０の外形に、フォロワー８を当接させるように付勢するバネ１１を錘９に設けるようにしてもよい。これによっても、円板を例えば矢印方向に回転させることによって、モータ４によりフォロワー８と錘９が本実施の形態と同様に往復運動するので、操作者にＸ方向の力Ｆを際だって知覚させることができる。
【符号の説明】
【００３６】    １      力覚発生装置    ２      ケース    ２ａ      内壁    ３      力覚発生機構    ４      モータ    ５      回転軸    ６      円板    ６ａ      平面    ７      カム溝    ８      フォロワー    ９      錘  １０      突起  １１      バネ  θ１      第１の角度範囲  θ２      第２の角度範囲
【図１】
2016170907.tif 000003
【図２】
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【図３】
2016170907.tif 000005
【図４】
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【図５】
2016170907.tif 000007
【国際調査報告】
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2016170907.tif 000009
2016170907.tif 000010
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