(57)【要約】【課題】操作者が変位部を変位させる操作を行う際に、操作者に力覚を提示する力覚提示装置において、操作者が手に持ちながら変位部を操作することに適した力覚提示装置を提供すること。【解決手段】内部に収容部７を有するケーシング５と、操作者の操作によって、ケーシング５に対して変位するように設けられた変位部２と、変位部２と連動して回転する、収容部７に収容された回転部３と、回転部３に回転抵抗を与える、収容部７に収容された回転抵抗発生部４と、を備え、指で挟み持つことが可能な持ち部６Ａをさらに備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に収容部を有するケーシングと、
操作者の操作によって、前記ケーシングに対して変位するように設けられた変位部と、
前記変位部と連動して回転する、前記収容部に収容された回転部と、
前記回転部に回転抵抗を与える、前記収容部に収容された回転抵抗発生部と、
を備える力覚提示装置であって、
指で挟み持つことが可能な持ち部を備える、
ことを特徴とする力覚提示装置。
【請求項２】
請求項１に記載の力覚提示装置において、
前記持ち部が前記ケーシングの両側に形成されており、
前記ケーシングの両側は、前記変位部の中心線が変位する方向の両側に存在する、
ことを特徴とする力覚提示装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の力覚提示装置において、
前記持ち部が前記ケーシングの両側に設けられた平坦面で形成されており、
前記平坦面は、前記変位部が変位する方向に対して略平行である、
ことを特徴とする力覚提示装置。
【請求項４】
請求項１に記載の力覚提示装置において、
前記持ち部が、前記変位部と、前記ケーシングの前記変位部と反対側の側部とによって形成されていることを特徴とする力覚提示装置。
【請求項５】
請求項２〜４の何れか１項に記載の力覚提示装置において、
前記変位部は、一端部に設けられた回動軸線回りに回動して前記ケーシングに対して接近離反するように支持されている、
ことを特徴とする力覚提示装置。
【請求項６】
請求項５に記載の力覚提示装置において、
前記回転部は、前記回転抵抗発生部の中心から突出した回転軸であり、
前記変位部の一端部に設けられた前記回動軸線と、前記回転軸の軸線とが平行である、
ことを特徴とする力覚提示装置。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか１項に記載の力覚提示装置において、
前記回転抵抗発生部は、
前記回転部とともに回転する内部ロータと、
前記内部ロータの周囲に形成された隙間に封入された磁気粘性流体と、
前記磁気粘性流体に磁場を印加するための電磁石と、
を有する、
ことを特徴とする力覚提示装置。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか１項に記載の力覚提示装置において、
操作力によって前記変位部が一方向に変位されるとき、前記変位部が受けた操作力を前記回転抵抗発生部側に伝達する一方、操作力によって前記変位部が他方向に変位されるとき、前記変位部が受けた操作力を前記回転抵抗発生部側に伝達しないように設けられたワンウェイクラッチを備えることを特徴とする力覚提示装置。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか１項に記載の力覚提示装置において、
前記変位部の所定位置からの変位量を検出する変位量検出部を備えることを特徴とする力覚提示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、操作者が所定の変位部を変位させる操作を行う際に、操作者に力覚を提示する力覚提示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、操作者が変位部を変位させる際に、操作者に所望の力覚を提示する力覚提示装置が開示されている。同文献の力覚提示装置は、所望の力覚を提示するために、変位部が変位する際に、変位部に抗力を与える回転抵抗発生部を備えている。この回転抵抗発生部は、電磁石によって内部に封入された磁気粘性流体に磁場を付与するものであり、電磁石に給電する電流値を制御することで、当該回転抵抗発生部が生じる回転抵抗を制御する。この力覚提示装置では、操作部が押し込まれると、その動作がリンク機構を介して回転動作に変換されて回転抵抗発生部に伝達される。このとき、回転抵抗発生部が回転抵抗を生じることで、その回転抵抗が、リンク機構を介して変位部に伝達され、変位部を押し込む操作者に力覚として提示される。
【０００３】
同文献の力覚提示装置は、脚部を備えており、台などの上に載置して使用することを前提とした構造になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１３８６５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、力覚提示装置を台の上に載置して操作するのではなく、手に持ちながら操作したいという要望がある。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された力覚提示装置は、手に持ちながら操作することに適していない。
【０００７】
そこで、本発明は、手に持ちながら操作することに適した力覚提示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係る力覚提示装置は、内部に収容部を有するケーシングと、操作者の操作によって、前記ケーシングに対して変位するように設けられた変位部と、前記変位部と連動して回転する、前記収容部に収容された回転部と、前記回転部に回転抵抗を与える、前記収容部に収容された回転抵抗発生部と、を備え、指で挟み持つことが可能な持ち部をさらに備える。
【０００９】
かかる構成を備える力覚提示装置によれば、指で挟み持つことが可能な持ち部を備えているので、力覚提示装置を手に持ちながら操作することができる。
【００１０】
前記構成を備える力覚提示装置において、前記持ち部が前記ケーシングの両側に形成されており、前記ケーシングの両側は、前記変位部の中心線が変位する方向の両側に存在する、ことが望ましい。
【００１１】
かかる構成を備える力覚提示装置によれば、例えば、親指と中指で持ち部を挟み持ちながら人差し指で変位部を操作することができる。
【００１２】
前記構成を備える力覚提示装置において、前記持ち部が前記ケーシングの両側に設けられた平坦面で形成されており、前記平坦面は、前記変位部が変位する方向に対して略平行である、ことが望ましい。
【００１３】
かかる構成を備える力覚提示装置によれば、例えば、親指と中指とで、持ち部をしっかりと挟み持つことができる。
【００１４】
上記一態様に係る力覚提示装置において、前記持ち部が、前記変位部と、前記ケーシングの前記変位部と反対側の側部とによって形成されている、ものであってもよい。
【００１５】
かかる構成を備える力覚提示装置によれば、例えば、ケーシングの変位部と反対側の側部に親指を沿わせて、人差し指を変位部に沿わせて持ち部を挟み持つことができ、更に人差し指で変位部を操作することができる。
【００１６】
前記構成を備える力覚提示装置において、前記変位部は、一端部に設けられた回動軸線回りに回動して前記ケーシングに対して接近離反するように支持されていてもよい。
【００１７】
前記構成を備える力覚提示装置において、前記回転部は、前記回転抵抗発生部の中心から突出した回転軸であり、前記変位部の一端部に設けられた前記回動軸線と、前記回転軸の軸線とが平行である、ことが望ましい。
【００１８】
かかる構成を備える力覚提示装置によれば、変位部の回動軸線と回転抵抗発生部の中心から突出した回転軸の軸線とが平行になっているため、変位部と回転部を簡単な構成で連動させることができる。その結果、装置全体を容易に小型化、軽量化することができる。
【００１９】
前記構成を備える力覚提示装置において、例えば、前記回転抵抗発生部は、前記回転部とともに回転する内部ロータと、前記内部ロータの周囲に形成された隙間に封入された磁気粘性流体と、前記磁気粘性流体に磁場を印加するための電磁石と、を有する。
【００２０】
前記構成を備える力覚提示装置において、操作力によって前記変位部が一方向に変位されるとき、前記変位部が受けた操作力を前記回転抵抗発生部側に伝達する一方、操作力によって前記変位部が他方向に変位されるとき、前記変位部が受けた操作力を前記回転抵抗発生部側に伝達しないように設けられたワンウェイクラッチをさらに備えてもよい。
【００２１】
前記構成を備える力覚提示装置において、前記変位部の所定位置からの変位量を検出する変位量検出部をさらに備えてもよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、手に持ちながら操作することに適した力覚提示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施形態に係る力覚提示装置を操作者が操作する様子を力覚提示装置の左側面から視た図と給電ユニットを示す図である。
【図２】本実施形態に係る力覚提示装置を操作者が操作する様子を力覚提示装置の正面から視た図と給電ユニットを示す図である。
【図３】本実施形態に係る力覚提示装置の底面図であって、ケーシング、第２リンク部材のボス等を断面化した図である。
【図４】本実施形態に係る力覚提示装置の左側面図である。
【図５】本実施形態に係る力覚提示装置の底面図である。
【図６】本実施形態に係る力覚提示装置の右側面図である。
【図７】本実施形態に係る力覚提示装置の平面図である。
【図８】本実施形態に係る力覚提示装置の左側面図である。
【図９】回転抵抗発生部の断面図と給電ユニットを示す図である。
【図１０】他の実施形態に係る力覚提示装置の底面図であってケーシング、第２リンク部材のボス等を断面化した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態に係る力覚提示装置について図面を参照しながら説明する。図１又は図２に示すように、力覚提示装置１は、操作者の手に収まる形状および大きさに形成されている。このため、操作者は力覚提示装置１を手に持ちながら操作することができる。この力覚提示装置１は、給電ユニット１００から供給される電流の値に応じた力覚を変位部２において操作者に提示する。以下、力覚提示装置１の各部と給電ユニット１００について詳細に説明する。なお、本明細書では、力覚提示装置１と給電ユニット１００を備える装置を力覚提示システムともいう。
【００２５】
図３〜図７に示すように、力覚提示装置１は、変位部２、回転軸３、回転抵抗発生部４、ケーシング５等を備えている。また、力覚提示装置１は、２つの持ち部６Ａ，６Ｂを備えている。
【００２６】
変位部２は、操作者の操作によってケーシング５に対して変位するように設けられている。本実施形態では、変位部２は、一端部に設けられた回動軸線８回りに回動してケーシング５に対して接近又は離反する。この変位部２は、一端部が支軸９に回動自在に支持されている。また、変位部２は、図４に示すように、円弧状に湾曲した湾曲板を含んで構成されている。変位部２が操作者の操作力によって回動されると、その操作力は、リンク機構１０を介して、回転部である回転軸３に伝達される。
【００２７】
変位部２は、図４および図８に示すように、所定範囲内で回動できるように構成されている。本実施形態では、変位部２には、リターンスプリング等が設けられていない。そのため、力覚提示装置１を使用するに当たっては、例えば図１又は図２に示すように、操作者の指先と変位部２とを例えば面ファスナー付結束具１２を使用して結束することが好ましい。これにより、操作者は、変位部２を指先によってケーシング５側に押し込んだ後、再び元の位置に引き戻すことができる。
【００２８】
リンク機構１０は、変位部２と回転軸３とを連動させるために設けられている。リンク機構１０は、図４に示すように、第１リンク部材１４および第２リンク部材１５で構成されている。第１リンク部材１４は、一端部が変位部２の裏面に回転自在に接続され、他端部が第２リンク部材１５の先端部に回転自在に接続されている。本実施形態では、図２に示すように、第１リンク部材１４が２本設けられており、第２リンク部材１５の両側にそれぞれ回転自在に接続されている。第２リンク部材１５は、図３に示すように、基部がワンウェイクラッチ１６を介して回転軸３に連結されている。第２リンク部材１５の基部にはボス部１５ａが形成されており、このボス部１５ａは、ベアリング１７を介してケーシング５内に支持されている。また、ボス部１５ａの内部には、回転軸３の先端部がベアリング２０を介して支持されている。回転軸３は、回転抵抗発生装部４から突出した中実軸３ａと、中実軸３ａに対して回転一体に外嵌された中空軸３ｂとで構成されているが、回転軸３を１つ部材で構成してもよい。以下、「中実軸３ａ」のみを単に「回転軸３」ということもある。
【００２９】
上記のワンウェイクラッチ１６は、操作者によって変位部２がケーシング５側に押し込まれる際に、変位部２からリンク機構１０を介して伝達される操作力を回転軸３および回転抵抗発生部４に伝達する。したがって、操作者によって変位部２がケーシング５側から引き戻される際は、ワンウェイクラッチ１６は、変位部２からリンク機構１０を介して伝達される操作力を回転軸３および回転抵抗発生部４に伝達しない。
【００３０】
回転抵抗発生部４は、回転軸３に回転抵抗を与えることにより、変位部２に回動抵抗を与える。本実施形態における回転抵抗発生部４は、外部から供給される電流の大きさに応じた強さの磁場を磁気粘性流体に印加することにより、電流の大きさに応じた回転抵抗を回転軸３に与える。この回転抵抗発生部４の外形は略円柱状に形成されており、その一方の端面１８から回転軸３が突出している。回転抵抗発生部４の内部構造の具体例については後に詳述する。なお、図３に示すように、回転軸３の軸線３ａと変位部の回動軸線８とは略平行になっている。
【００３１】
ケーシング５は、内部に収容部７を有している。この収容部７には、回転軸３、回転抵抗発生部４、第２リンク部材１５のボス部１５ａ、ベアリング１７等が収容されている。収容部７のうち、回転抵抗発生部４を収容する部分７ａは、回転抵抗発生部４の外周部３３ａが嵌まり込む形状になっている。ケーシング５の片側には、窓５ａが形成されており、その窓５ａから回転抵抗発生部４の他方の端面１９が露出している。なお、回転抵抗発生部４の他方の端面１９は平坦面になっている。
【００３２】
ケーシング５の外形は、図４に示すように、略円柱状に形成され、図４および図５に示すように、その一部から外側に向かって一対の支持アーム１３が延出している。一対の支持アーム１３の先端部には、既述した支軸９が架設されている。また、ケーシング５には、リンク機構１０との干渉を避けるための開口部５ｂが設けられている（図２および図５参照）。なお、本実施形態におけるケーシング５は、図５に示すように、２つのケーシング部材５Ａ，５Ｂがボルト３４で締結されることにより構築されている。
【００３３】
持ち部６Ａ，６Ｂは、力覚提示装置１において、操作者が、変位部２を操作しながら、指で挟み持つことができる部分である。本実施形態に係る力覚提示装置１には、少なくとも２つの持ち部６Ａ，６Ｂが備わっている。
【００３４】
１つめの持ち部６Ａは、ケーシング５の両側に形成されている。本実施形態では、図７に示すように、ケーシング５の両側が、変位部２の中心線２ａが回動する方向の両側に存在している。別の言い方をすれば、変位部２が変位するときに変位部２の中心線２ａが描く軌道を含む平面の両側にケーシング５の両側が存在する。また、ケーシング５の両側には、平坦面が設けられている。一方の平坦面は、ケーシングの側面２１のみで形成されており、他方の平坦面は、回転抵抗発生部４の他端面１９を含んで形成されている。ケーシング５の側面２１も、回転抵抗発生部４の他端面１９も、変位部２の中心線２ａが回動する方向に対して略平行になっている。
【００３５】
操作者は、図２に示すように、親指２３と中指２４で持ち部６Ａを挟み持ち、人差し指２５を変位部２に沿わせることで、力覚提示装置１を手に持ちながら、人差し指２５で変位部２を操作することができる。
【００３６】
２つめの持ち部６Ｂは、図１に示すように、変位部２と、ケーシング５の変位部２と反対側の側部２６とによって形成されている。この場合、操作者は、ケーシング５の変位部２と反対側の側部２６に親指２３を沿わせ、人差し指２５を変位部２に沿わせることで、力覚提示装置１を挟み持つことができる。この場合も、力覚提示装置１を手に持ちながら、人差し指２５で変位部２を操作することができる。
【００３７】
次に、回転抵抗発生部４の構成例を図９に基づいて説明する。図９に例示する回転抵抗発生部４は、円板２８、ヨーク２９，３０、コイル３１、磁気粘性流体３２、ケース３３等で構成されている。
【００３８】
円板２８は、回転抵抗発生部４の内部で回転する内部ロータであって磁性体を用いて構成されている。円板２８の裏面２８ｂの中心部には、回転軸３が垂直に接続されている。したがって、円板２８と回転軸３は一体に回転する。回転軸３は、ベアリング３５を介してヨーク３０に設けられた軸穴３６に支持されている。なお、回転軸２１には非磁性体が用いられることが望ましい。
【００３９】
ヨークは、第１ヨーク２９および第２ヨーク３０で構成されている。第１ヨーク２９は、円板２８の表面２８ａに対して微小隙間を介して対向しており、円板状の部材で構成されている。この第１ヨーク２９は、円筒状のケース３３に嵌め込まれて固定されている。
【００４０】
第２ヨーク３０は、円板２８の裏面２８ｂに対して微小隙間を介して対向する対向面３０ａを有する。この第２ヨーク３０は、円筒状のケース３３の内側に嵌め込まれて固定されている。なお、回転抵抗発生部４の外周部であるケース３３は、ケーシング５（図３参照）に対して回転しないように固定されている。本実施形態では図４に示すように、ホーローセット２７を用いてケース３３がケーシング５に対して固定されている。
【００４１】
第１ヨーク２９の中心部に形成された凹部と、回転軸３の端面の中心に形成された凹部とで形成されるスペースに非磁性体からなる球体３７が収容されている。
【００４２】
コイル３１は、第２ヨーク３０に形成された環状の溝に沿って配設されている。このコイル３１には、後述する給電制御部１０２から電流が供給される。
【００４３】
磁気粘性流体３２は、円板２８と、第１ヨーク２９および第２ヨーク３０との隙間に封入されている。この磁気粘性流体３２は、磁性粒子を分散媒に分散させてなる液体である。磁性粒子として、例えばナノサイズの金属粒子（金属ナノ粒子）からなるものを使用することができる。磁性粒子は磁化可能な金属材料からなり、金属材料に特に制限はないが軟磁性材料が好ましい。軟磁性材料としては、例えば鉄、コバルト、ニッケル及びパーマロイ等の合金が挙げられる。分散媒は、特に限定されるものではないが、一例として疎水性のシリコーンオイルを挙げることができる。磁気粘性流体における磁性粒子の配合量は、例えば３〜４０ｖｏｌ％とすることができる。磁気粘性流体にはまた、所望の各種特性を得るために、各種の添加剤を添加することも可能である。
【００４４】
上記構成を備える回転抵抗発生部４において、コイル３１に電流が印加されると、例えば図９に示す矢印Ｐが示す方向に沿って円板２８、第１ヨーク２９、第２ヨーク３０内に磁路が形成される。この磁路は、円板２８の表面２８ａと第１ヨーク２９との隙間に介設する磁気粘性流体３２、および、円板２８の裏面２８ｂと第２ヨーク３０との隙間に介在する磁気粘性流体３２を貫通する。これにより、磁気粘性流体３２には、磁場の強さに応じた粘度（ずり応力）が発現し、円板２８とヨーク２９，３０との間で伝達されるトルクが磁場の強さに応じて大きくなる。すなわち、回転抵抗発生部４は、コイル３１に印加される電流値に応じた大きさの回転抵抗を回転軸３に与える。
【００４５】
次に、給電ユニット１００について説明する。給電ユニット１００は、例えば、操作者の体の一部（例えば腰）に装着可能なポータブル型の給電ユニットであることが望ましい。給電ユニット１００は、図１に示すように、バッテリー１０１、給電制御部１０２および通信部１０３を備えている。給電制御部１０２は、通信部１０３を介して外部から無線通信又は有線通信を介して受信した情報に基づいて、バッテリー１０１から回転抵抗発生部４のコイル３１に供給する電流値を制御する。
【００４６】
給電制御部１０２は、例えば、外部から受信した情報に基づいて、コイル３１に供給する電流のＯＮ／ＯＦＦ制御、コイル３１に供給する電流値の可変制御などを行う。電流値の可変制御の例として、電流値を周期的若しくは非周期的に変動させることが挙げられる。さらに、電流値を周期的に変動させる制御の例として、時間変化が矩形波となるように電流値を変動させることが挙げられる。
【００４７】
以上に説明した力覚提示装置１と給電ユニット１００とを備える力覚提示システムを使用する場合、図１または図２に示すように、力覚提示装置１を指で挟み持ちながら、変位部２を人差し指２５で押し込み、または、引き戻す操作を行う。変位部２を押し込むときは、変位部２が受けた操作力がワンウェイクラッチ１６を介して回転抵抗発生部４に伝達されるため、変位部２を押し込む動きに対して、コイル３１に印加される電流値に応じた抵抗が発生し、その抵抗が力覚として操作者に提示される。逆に、変位部２を引き戻す際は、変位部２が受けた操作力がワンウェイクラッチ１６から回転抵抗発生部４側に伝達されないため、変位部２を引き戻す動きに対して殆ど抵抗が発生しない。このため、操作者は変位部２を引き戻すときは軽い力で引き戻すことができる。
【００４８】
＜他の実施形態＞
既述した力覚提示装置１において、変位部２の所定位置からの変位量を検出する変位量検出部を更に備え、給電制御部１０２が当該変位量に基づいて、あるいは、外部から受信した情報と、変位部２の変位量とに基づいて、コイル３１に給電する電流値を制御するようにしてもよい。このようにすることで、変位部２の所定位置からの変位量に応じた力覚を提示することが可能となる。
【００４９】
この場合、例えば図１０に示すように、ケーシング５の収容部７の一部として、変位量検出部１１を嵌め込む部分７ｂを形成し、変位量検出部１１の入力部を第２リンク部材１５のボス部１５ａと連結部材２２を介して接続する。これにより、ボス部１５ａの所定位置からの回転量を変位量検出部１１にて検出でき、当該回転量に基づいて変位部２の所定位置からの変位量も検出することができる。そして、このような構造にすることで、既述した持ち部６Ａ，６Ｂと同様の持ち部を形成することができる。なお、変位量検出部１１としては、例えば、エンコーダ又は可変抵抗器を使用することができる。
【００５０】
既述した実施形態においては、ケーシング５に窓５ａが形成され、その窓５ａから回転抵抗発生部４の一部が露出していたが、回転抵抗発生部４の全体をケーシング内に収容するようにしてもよい。
【００５１】
既述した実施形態においては、変位部２と操作者の指を結束具１２を用いて結束し、操作者が変位部２を押し込んだ後、操作者の操作力によって変位部２を元の位置に引き戻すようにしていたが、スプリング等の弾性体によって変位部２を引き戻す方向に付勢することにより、結束具１２の使用を省略することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、例えば、操作者が所定の変位部を変位させる際に、操作者に対して所定の力覚を提示する力覚提示装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１    力覚提示装置
２    変位部
３    回転軸（回転部）
３ａ  回転軸の軸線
４    回転抵抗発生部
５    ケーシング
６Ａ，６Ｂ  持ち部
７    収容部
８    回動軸線
１１  変位量検出部
１６  ワンウェイクラッチ
２８  円板（内部ロータ）
３１  コイル
３２  磁気粘性流体
【図１】
2019185175.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2019185175.tif 000007
【図６】
2019185175.tif 000008
【図７】
2019185175.tif 000009
【図８】
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【図９】
2019185175.tif 000011
【図１０】
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