(57)【要約】【課題】反作用力を支持する支点を外部や人体に設けることなく力覚を知覚させる。【解決手段】曲面２１，２２を具備するカム２０と、第１線上で周期的な並進運動を行う移動部材４０と、曲面２１，２２に沿った移動運動を行うカムフォロワ８１，８２と、弾性力をカムフォロワ８１，８２に与えてカム２０の曲面２１，２２に押し付けるバネ９０と、によって加速度発生装置１を構成する。カムフォロワ８１，８２と移動部材４０との距離は、移動部材４０の位置に応じ、カム２０の曲面形状に従って変化し、カム２０の曲面２１，２２は、第１領域面２１ａ，２２ａと第２領域面２１ｂ，２２ｂとを具備し、移動部材４０の一周期中での加速度の時間変化は、当該加速度の向きが第１線Ｌ１に沿った一方向である正方向の場合と、当該加速度の向きが当該正方向の反対方向である負方向の場合とで非対称となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
曲面を具備するカムと、
上記カムの曲面に対する相対位置が固定された第１線上に移動が制限され、当該第１線上で周期的な並進運動を行う移動部材と、
上記移動部材に対する相対位置が固定された第２線上に移動が制限され、さらに上記カムの曲面に支持されて、上記カムの曲面に沿った移動運動を行うカムフォロワと、
上記移動部材と上記カムフォロワとの距離に依存する位置エネルギーを保存する機構であって、発生した力を上記カムフォロワに与え、上記カムフォロワを上記カムの曲面に押し付けるエネルギー保存機構と、を具備し、
上記カムフォロワと上記移動部材との距離は、上記移動部材の位置に応じ、上記カムの曲面形状に従って変化し、
上記カムの曲面は、第１領域面と第２領域面とを具備し、上記エネルギー保存機構によって上記カムフォロワに加えられる力の方向を基準とした上記第１領域面の角度と、上記エネルギー保存機構によって上記カムフォロワに加えられる力の方向を基準とした上記第２領域面の角度とは、それらの正負及び絶対値が異なり、
上記移動部材の一周期中での加速度の時間変化は、当該加速度の向きが上記第１線に沿った一方向である正方向の場合と、当該加速度の向きが当該正方向の反対方向である負方向の場合とで非対称となる、
ことを特徴とする加速度発生装置。
【請求項２】
請求項１の加速度発生装置であって、
上記移動部材の並進運動は、
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運動である、
ことを特徴とする加速度発生装置。
【請求項３】
請求項１又は２の加速度発生装置であって、
上記移動部材の並進運動は、
上記移動部材の加速度と、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、上記移動部材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運動である、
ことを特徴とする加速度発生装置。
【請求項４】
請求項１の加速度発生装置であって、
上記エネルギー保存機構によって上記カムフォロワに加えられる力の方向は、上記第１線方向と略垂直である、
ことを特徴とする加速度発生装置。
【請求項５】
請求項１の加速度発生装置であって、
上記カムの曲面が具備する上記第１領域面と上記第２領域面とは滑らかに接続される、
ことを特徴とする加速度発生装置。
【請求項６】
請求項１から５の何れかに記載の加速度発生装置であって、
上記カムは、特定の平面に対して鏡面対称な２つの曲面を具備し、
上記第１線は、上記特定の平面上の線であり、
上記カムフォロワは、上記特定の平面に対して鏡面対称に２つ設けられ、
上記２つのカムフォロワは、上記特定の平面に対して鏡面対称に移動し、
上記エネルギー保存機構は、上記特定の平面に対して鏡面対称な力を上記２つのカムフォロワに対して与える、
ことを特徴とする加速度発生装置。
【請求項７】
請求項１から５の何れかに記載の加速度発生装置であって、
上記カムは、特定の直線に対して対称な複数の曲面を具備し、
上記第１線は、上記特定の直線に沿った線であり、
上記カムフォロワは、上記特定の平面に対して対称に複数設けられ、
上記複数のカムフォロワは、上記特定の直線に対して対称に移動し、
上記エネルギー保存機構は、上記特定の直線に対して対称な力を上記複数のカムフォロワに対して与える、
ことを特徴とする加速度発生装置。
【請求項８】
請求項１から７の何れかに記載の加速度発生装置であって、
上記カムが具備する曲面と上記第１線との相対位置を変化させる調整部をさらに有する、
ことを特徴とする加速度発生装置。
【請求項９】
請求項８に記載の加速度発生装置であって、
上記調整部は、上記カムが具備する曲面と上記第１線との相対位置を変化させることにより、上記エネルギー保存機構によって上記カムフォロワに加えられる力の方向を基準とした上記第１領域面の角度と、上記エネルギー保存機構によって上記カムフォロワに加えられる力の方向を基準とした上記第２領域面の角度とを、それぞれ変化させる、
ことを特徴とする加速度発生装置。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の加速度発生装置であって、
上記調整部は、
上記カムが具備する曲面と上記第１線との相対位置の変化に対する、上記移動部材と上記カムフォロワとの距離の変化が所定値以下又は未満となる位置に、上記移動部材及び上記カムフォロワが存在する際に、上記カムが具備する曲面と上記第１線との相対位置を変化させる、
ことを特徴とする加速度発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、手応えのような力覚をユーザに知覚させる技術に関し、特に、その反作用力を支持する支点や力点を外部や人体に必要とせず、物理的な作用力としての平均はゼロのままでありながら力覚を知覚させる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
視聴覚チャンネル以外の情報提供チャンネルとして手応え等の力覚チャンネルの開発が進められている。従来の力覚研究は接地型、非接地型の２つに分類することができる。接地型は、発生させる力覚の反作用力を支持する支点や力点を外部或いは人体に固定する形態であり、非接地型は、このような支点・力点を用いない形態である（例えば、非特許文献１、特許文献１参照）。
しかし、従来の力覚発生手法では、モバイル機器やウェアブルコンピューティングなどの可搬型機器分野への応用が困難であったという問題点がある。
【０００３】
例えば、外部に支点・力点を固定する接地型（例えばSPIDERやPHANTOMなど）の場合、自由な移動を伴うモバイル機器やウェアラブルコンピューティングなどの分野ヘの応用は困難である。また、支点・力点を作用点以外の身体部位に設ける接地型の場合、提示した力覚情報の反作用力も人体に加わるため、この力覚情報によって正確な方向情報を提示することは困難であり、さらにユーザに対する負荷が大きいという問題もある。
【０００４】
これに対し、本願の発明者は、反作用力を支持する支点や力点を設けることなく時間的に安定した力覚を知覚させる手法を提案している（例えば、非特許文献２、特許文献２参照）。この手法は、回転動力に対してリンク機構等を適用して正負の絶対値が大きく異なる加速度を発生し、それにより疑似的な力覚を知覚させるものである。
【非特許文献１】筧直之，矢野博昭，斉藤充，小木哲郎，廣瀬通孝：没入型仮想空間における力覚提示デバイスHapticGEARの開発とその評価，日本バーチャルリアリティ学会論文誌，VOL. 5, No.4, pp. 1113-1120, 2000.
【非特許文献２】雨宮智浩，安藤英由樹，前田太郎，“非接地型力覚提示装置を中空で把持したときの効果的な牽引力錯覚の生起手法”，日本バーチャルリアリティ学会論文誌，Vol. 11, No. 4, 2006.
【特許文献１】特開２００２−３４６２２５号公報
【特許文献２】特開２００６−０６５６６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、非特許文献２や特許文献２の手法では、回転動力を並進運動に変換するものであり、回転動力を与え続けなければ並進運動を継続することができない。そのため、エネルギーの利用効率が悪いといった問題点がある。
また、非特許文献２や特許文献２の手法は、一旦発生させた回転動力をリンク機構等によって並進運動に変換するものである。そのため、当該手法を用いた装置には、例えば、回転動力を得るためのモータや回転動力を並進運動に変換するためのリンク機構等が必要となり、装置を小型・軽量化することが困難であるといった問題点もある。
【０００６】
さらに、非特許文献２や特許文献２の手法は、発生させる加速度の時間変化を任意に設定することが困難であるといった問題点もある。すなわち、非特許文献２や特許文献２の手法の場合、発生する加速度の時間変化の自由度はリンク機構等の基本構造によって制限され、回転動力の回転速度やリンク機構等の寸法の最適化だけでは、発生させる加速度の時間変化を任意に設定できない。
【０００７】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、反作用力を支持する支点や力点を外部や人体に設けることなく力覚を知覚させ、なおかつ、エネルギーの利用効率が高く、装置の小型・計量化が可能であり、発生させる加速度の時間変化を任意に設定可能な技術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】
本発明では上記課題を解決するために、曲面を具備するカムと、上記カムの曲面に対する相対位置が固定された第１線上に移動が制限され、当該第１線上で周期的な並進運動を行う移動部材と、上記移動部材に対する相対位置が固定された第２線上に移動が制限され、さらに上記カムの曲面に支持されて、上記カムの曲面に沿った移動運動を行うカムフォロワと、上記移動部材と上記カムフォロワとの距離に依存する位置エネルギーを保存する機構であって、発生した力を上記カムフォロワに与え、上記カムフォロワを上記カムの曲面に押し付けるエネルギー保存機構と、を具備し、上記カムフォロワと上記移動部材との距離は、上記移動部材の位置に応じ、上記カムの曲面形状に従って変化し、上記カムの曲面は、第１領域面と第２領域面とを具備し、上記エネルギー保存機構によって上記カムフォロワに加えられる力の方向を基準とした上記第１領域面の角度と、上記エネルギー保存機構によって上記カムフォロワに加えられる力の方向を基準とした上記第２領域面の角度とは、それらの正負及び絶対値が異なり、上記移動部材の一周期中での加速度の時間変化は、当該加速度の向きが上記第１線に沿った一方向である正方向の場合と、当該加速度の向きが当該正方向の反対方向である負方向の場合とで非対称となる、ことを特徴とする加速度発生装置が提供される。
【０００９】
ここで、カムフォロワは、移動部材に対する相対位置が固定された第２線上に移動が制限されているため、カムフォロワと移動部材とは相互に連動して移動する。また、カムフォロワは、エネルギー保存機構からの力を受けつつカムの曲面に支持されてカムの曲面に沿った移動運動を行い、移動部材は、カムの曲面に対する相対位置が固定された第１線上に移動が制限される。その結果、カムフォロワと移動部材との距離は、移動部材の位置に応じ、カムの曲面形状に従って変化する。さらに、エネルギー保存機構は、移動部材とカムフォロワとの距離に依存する位置エネルギーを保存する機構であるため、エネルギー保存機構がカムフォロワに与える力の大きさは移動部材の位置に応じて変化する。また、この力はカムフォロワをカムの曲面に押し付ける方向の力であるため、この力の方向とカムの曲面とがなす角度に応じた当該曲面からの反作用力がカムフォロワに与えられ、その力はカムフォロワと相互に連動して移動する移動部材に伝わる。すなわち、カムの曲面の形状（各位置の傾きや高さ）とカムフォロワや移動部材の位置とに応じた力が移動部材に与えられる。そして、カムの曲面は、第１領域面と第２領域面とを具備し、エネルギー保存機構によってカムフォロワに加えられる力の方向を基準とした第１領域面の角度と、エネルギー保存機構によってカムフォロワに加えられる力の方向を基準とした第２領域面の角度とは、それらの正負及び絶対値が異なる。そのため、移動部材の一周期中での加速度の時間変化は、当該加速度の向きが第１線に沿った一方向である正方向の場合と、当該加速度の向きが当該正方向の反対方向である負方向の場合とで非対称となる。そして、当該移動部材は、この加速度の時間変化に応じた第１線上での周期的な並進運動を行う。
【００１０】
通常、物理的に完全な作用力を生じさせるためには、その反作用力を支持する支点や力点が必要となる。これに対し、本発明では、そのような支点や力点はなく、物理的な作用力としての平均はゼロのままである。しかし、本発明の移動部材は、正方向の加速度と負方向の加速度とが一周期中で非対称な並進運動を行う。そして、この移動部材の加速度の正負の絶対値の差、作用時間の差及び人間の力覚知覚の非線形性により、反作用力を支持する支点や力点を外部や人体に設けることなく、第１線方向へ擬似的な力覚を提示する（詳細は後述）。
【００１１】
また、本発明の構成は、摩擦等の損失が存在せず、エネルギーが完全に保存されるのであれば、本発明の構成は移動部材の運動が永久に継続するものである。よって、本発明の加速度発生装置を駆動するために必要なエネルギーは、この損失分を補う程度のものであればよい。
また、発明の構成は回転運動を往復運動に変換するものではないため、回転動力を往復運動に変換する場合に必要な機構（リンクやクランク等）が不要となり、装置の小型・軽量化が可能となる。
【００１２】
また、本発明の移動部材に与えられる加速度の時間変化は、カムの曲面の形状を設定することにより任意に設定できるため、設定可能な加速度の時間変化の自由度が高い。
また、上記移動部材の並進運動は、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運動である。これにより、反作用力を支持する支点や力点を設けることなく時間的に安定した力覚を知覚させることが可能となる。
【００１３】
また、上記移動部材の並進運動は、上記移動部材の加速度と、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、上記移動部材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運動である。この移動部材の加速度の正負の絶対値の差、作用時間の差及び人間の力覚知覚の非線形性により、上記の特定の直線上の狙った方向ヘの擬似的な力覚を表示できる（詳細は後述）。
【００１４】
また、本発明において好ましくは、上記エネルギー保存機構によって上記カムフォロワに加えられる力の方向は、上記第１線方向と略垂直である。上述の本発明の加速度発生装置は、第１線方向へ擬似的な力覚を提示する。ユーザは自らの前後方向を第１線方向として加速度発生装置を手で把持するケースが多いと想定される。この場合、エネルギー保存機構によってカムフォロワに加えられる力の方向が第１線方向に近いと、ユーザの肘のバネ作用の影響によってカムフォロワに加えられる力に誤差が生じてしまう。例えば、肘バネのダンパ作用によってエネルギー保存機構によってカムフォロワに加えられる力を吸収してしまったり、逆に肘バネによってエネルギー保存機構によってカムフォロワに加えられる力の方向に余分な力が加えられてしまう。この影響が最少となるのは、エネルギー保存機構によってカムフォロワに加えられる力の方向が第１線方向と略垂直となる場合であり、これにより擬似的な力覚を的確に提示できる。
【００１５】
また、本発明において好ましくは、上記カムの曲面が具備する上記第１領域面と上記第２領域面とは滑らかに接続される。これにより、第１領域面と第２領域面とが滑らかに接続されない場合に生じる段差によって不要の振動が生じたり、それによってエネルギーが損失してしまったりという事態を防止できる。
【００１６】
また、本発明において好ましくは、上記カムは、特定の平面に対して鏡面対称な２つの曲面を具備し、上記第１線は、上記特定の平面上の線であり、上記カムフォロワは、上記特定の平面に対して鏡面対称に２つ設けられ、上記２つのカムフォロワは、上記特定の平面に対して鏡面対称に移動し、上記エネルギー保存機構は、上記移動部材の往復移動方向と異なる方向の力を、上記２つのカムフォロワに対し、上記特定の平面に対して鏡面対称に与える。このように移動部材の往復方向に対して対称な構成とすることにより、移動部材の往復方向以外の方向に生じた力を相殺することができ、擬似的な力覚を提示する移動部材の往復方向のみの力を発生させることができる。その結果、擬似的な力覚を的確に提示できる。さらに、このように移動部材の往復方向に対して対称な構成とした場合、移動部材の往復方向に対して非対称な構成とする場合に比べ、摩擦によるエネルギー損失を低減できる。
【００１７】
また、本発明において好ましくは、上記カムは、特定の直線に対して対称な複数の曲面を具備し、上記第１線は、上記特定の直線に沿った線であり、上記カムフォロワは、上記特定の平面に対して対称に複数設けられ、上記複数のカムフォロワは、上記特定の直線に対して対称に移動し、上記エネルギー保存機構は、上記移動部材の往復移動方向と異なる方向の力を、上記複数のカムフォロワに対し、上記特定の直線に対して対称に与える。
【００１８】
このように移動部材の往復方向に対して対称な構成とすることにより、移動部材の往復方向以外の方向に生じた力を相殺することができ、擬似的な力覚を提示する移動部材の往復方向のみの力を発生させることができる。その結果、擬似的な力覚を的確に提示できる。さらに、このように移動部材の往復方向に対して対称な構成とした場合、移動部材の往復方向に対して非対称な構成とする場合に比べ、摩擦によるエネルギー損失を低減できる。
【００１９】
また、本発明において好ましくは、上記カムが具備する曲面と上記第１線との相対位置を変化させる調整部をさらに有する。これにより、移動部材の加速度の時間変化を容易に変更できる。
また、本発明において好ましくは、上記調整部は、上記カムが具備する曲面と上記第１線との相対位置を変化させることにより、上記エネルギー保存機構によって上記カムフォロワに加えられる力の方向を基準とした上記第１領域面の角度と、上記エネルギー保存機構によって上記カムフォロワに加えられる力の方向を基準とした上記第２領域面の角度とを、それぞれ変化させる。これにより、移動部材の加速度の時間変化を容易に変更できる。
【００２０】
さらに、本発明において好ましくは、上記調整部は、上記カムが具備する曲面と上記第１線との相対位置の変化に対する、上記移動部材と上記カムフォロワとの距離の変化が所定値以下又は未満となる位置に、上記移動部材及び上記カムフォロワが存在する際に、上記カムが具備する曲面と上記第１線との相対位置を変化させる。これにより、カムが具備する曲面と第１線との相対位置を変化させた場合に生じる総和エネルギーの変動を低く抑えることができ、装置動作を安定させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
以上のように本発明では、反作用力を支持する支点や力点を外部や人体に設けることなく力覚を知覚させ、なおかつ、エネルギーの利用効率が高く、装置の小型・計量化が可能であり、発生させる加速度の時間変化を任意に設定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
〔力覚を知覚させる原理〕
まず、本発明の構成によって、反作用力を支持する支点や力点を設けることなく時間的に安定した力覚を知覚させる原理を説明する。
ある質量をもった物体の並進運動を考える。そしてこの並進運動は、擬似力覚を提示したい方向へは大きな加速度で短時間に移動し、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。すなわち、筋紡錘（筋肉の収縮を感知して感覚を起こす骨格筋中の感覚器）の反射特性には、筋の長さが変化するときに強く興奮する動的反応と、伸ばされた筋が一定の長さに保たれるときにインパルス発射を続ける静的反応とがある。また動的反応は、筋の長さの変化が比較的小さく急であるときに強い（例えば「大山正,今井省吾,和気典二編：新編  感覚・知覚心理学ハンドブック,誠信書房,１９９４.」参照）。このような知覚反応は一般に図１１に示すようなＳ字型曲線（sigmoid curve）で近似できることが知られている。なお、この図の横軸は人体に加えられる物理的な加速度を示し、縦軸はその加速度が人体に加えられた際に人体が知覚する加速度（知覚反応量）を示している。物理的な周期運動では加速度を一周期分積分すると零になるが、このＳ字型曲線の知覚反応量は同様に積分しても零になるとは限らない。例えば、図１１のｆ１（ｘ）のような範囲では、加速度の変化すなわち微分値の差（f1’(a+k)-f1’(a)）が、感覚値の差よりも大きくなる。逆にｆ２（ｘ）のような範囲では、加速度の変化（f1’(b+k)-f1’(b)）が、感覚値の差よりも小さくなる。これは、物理的な加速度の変化を感覚的に過小評価する箇所と、感覚的に過大評価する箇所とが存在することを意味している。そして、この感覚強度の違いを利用することにより、擬似的な力覚を発生させることができることを意味している。
【００２３】
また、皮膚表面と運動物体との接触面では、静止摩擦係数と動摩擦係数との関係により、ある加速度において並進運動の並進力が静止摩擦力を超え、すべりが生じることがある。そのため、提示したい方向へ大きな加速度を加えることにより、このすべりを発生させ、力覚を表示することもできる。
【００２４】
〔本発明における偏加速度をもった周期運動〕
前述のように、本発明の加速度発生装置は、曲面を具備するカムと、上記カムの曲面に対する相対位置が固定された第１線上に移動が制限され、当該第１線上で周期的な並進運動を行う移動部材と、上記移動部材に対する相対位置が固定された第２線上に移動が制限され、さらに上記カムの曲面に支持されて、上記カムの曲面に沿った移動運動を行うカムフォロワと、上記移動部材と上記カムフォロワとの距離の変異を力エネルギーの変異に置き換えてエネルギーを保存する機構であって、発生した力を上記カムフォロワに与え、上記カムフォロワを上記カムの曲面に押し付けるエネルギー保存機構と、を具備し、上記カムフォロワと上記移動部材との距離は、上記移動部材の位置に応じ、上記カムの曲面形状に従って変化し、上記カムの曲面は、第１領域面と第２領域面とを具備する。そして、上記エネルギー保存機構によって上記カムフォロワに加えられる力の方向を基準とした上記第１領域面の角度と、上記エネルギー保存機構によって上記カムフォロワに加えられる力の方向を基準とした上記第２領域面の角度とは、それらの正負及び絶対値が異なる。これにより、上記移動部材の一周期中での加速度の時間変化は、当該加速度の向きが上記第１線に沿った一方向である正方向の場合と、当該加速度の向きが当該正方向の反対方向である負方向の場合とで非対称となる。このように移動部材が偏加速度をもった周期運動を行うことにより、反作用力を支持する支点や力点を外部や人体に設けることなく擬似的な力覚を発生させる。前述のように、本発明における加速度発生装置の移動部材の一周期中での加速度の時間変化（加速度プロファイル）は、カムが具備する曲面の形状に依存し、この曲面の形状を変えることによって自由に設定可能である。また、前述のように、本発明の加速度発生装置では、エネルギーの利用効率が高く、装置の小型・計量化が可能である。以下、本発明の各実施形態を説明する。
【００２５】
〔第１実施形態〕
まず、本発明の第１実施形態について説明する。
＜構成＞
図１Ａ〜図１Ｃ及び図２は、第１実施形態の加速度発生装置１の構成を示した図である。ここで、図１Ａは本形態の加速度発生装置１の平面図である。また、図１Ｂは本形態の加速度発生装置１の正面図である。また、図１Ｃは図１Ａの１Ｃ−１Ｃ断面図である。また、図２は本形態の加速度発生装置１の斜視図である。
【００２６】
本形態の加速度発生装置１は、曲面２１，２２を具備するカム２０と、カム２０の曲面２１，２２に対する相対位置が固定された第１線Ｌ１上に移動が制限され、当該第１線Ｌ１上で周期的な並進運動を行う移動部材４０と、移動部材４０に対する相対位置が固定された第２線Ｌ２上に移動が制限され、さらにカム２０の曲面２１，２２に支持されて、カム２０の曲面２１，２２に沿った移動運動を行うカムフォロワ８１，８２と、移動部材４０とカムフォロワ８１，８２との距離の変異を力エネルギーの変異に置き換えてエネルギーを保存する機構であって、発生した力をカムフォロワ８１，８２に与え、カムフォロワ８１，８２をカム２０の曲面２１，２２に押し付けるエネルギー保存機構であるバネ９０と、を具備する。ここで、カムフォロワ８１，８２と移動部材４０との距離は、移動部材４０の位置に応じ、カム２０の曲面形状に従って変化する。また、カム２０の曲面２１，２２は、第１領域面２１ａ，２２ａと第２領域面２１ｂ，２２ｂとを具備し、エネルギー保存機構であるバネ９０によってカムフォロワ８１，８２に加えられる力の方向を基準とした第１領域面２１ａ，２２ａの角度と、バネ９０によってカムフォロワ８１，８２に加えられる力の方向を基準とした第２領域面２１ｂ，２２ｂの角度とは、それらの正負及び絶対値が異なる。そして、移動部材４０の一周期中での加速度の時間変化は、当該加速度の向きが第１線Ｌ１に沿った一方向である正方向の場合と、当該加速度の向きが当該正方向の反対方向である負方向の場合とで非対称となる。
【００２７】
これが本形態における加速度発生装置１の構成の概要である。以下、本形態の加速度発生装置１の構成を詳細に説明する。
図１，図２に示すように、本形態の加速度発生装置１は、ベース部１０と、カム２０と、リニアガイド３０，６０と、スライダ４１，コイル部材４２及び分銅４３を具備する移動部材４０と、シャフト５０と、スライダ７１，７２と、カムフォロワ８１，８２と、バネ９０（「エネルギー保存機構」に相当）とを具備する。
【００２８】
ここで、この例のベース部１０は剛体とみなせる板（例えば、ステンレス、プラスチック製等）である。また、この例のカム２０は、剛体とみなせる板（例えば、ステンレス、プラスチック製等）であり、側面に曲面２１，２２を具備する。なお、この例ではカム２０と平行な面をｘ−ｙ平面とする。２つの曲面２１，２２は、カム２０と直交する特定の平面（Ｐ１平面）に対して鏡面対称に形成される。
【００２９】
曲面２１は、第１領域面２１ａと第２領域面２１ｂと第３領域面２１ｃとを具備する。ここで、ｘ−ｙ平面におけるｘ軸に対する第１領域面２１ａの勾配は負であり、第２領域面２１ｂの勾配は正であり、第３領域面２１ｃの勾配は０である。また、ｘ−ｙ平面におけるｘ軸に対する第１領域面２１ａの勾配は、第２領域面２１ｂの勾配よりも急峻である。すなわち、曲面２１とｘ−ｙ平面の平行面との交線である曲線の関数をｆ１（ｘ）とした場合、第１領域面２１ａでの関数ｆ１（ｘ）の傾きは負であり、第２領域面２１ｂでの関数ｆ１（ｘ）の傾きは正であり、第３領域面２１ｃでの関数ｆ１（ｘ）の傾きは０である。そして、第１領域面２１ａでの関数ｆ１（ｘ）の傾きの絶対値は、第２領域面２１ｂでの関数ｆ１（ｘ）の傾きの絶対値よりも大きい。また、エネルギー効率上、第１領域面２１ａと第２領域面２１ｂとは、第３領域面２１ｃを介して滑らかに接続されることが望ましい。すなわち、関数ｆ１（ｘ）は全ての点で一次微分可能な関数であることが望ましい。
【００３０】
また、曲面２２は、第１領域面２２ａと第２領域面２２ｂと第３領域面２２ｃとを具備する。ここで、ｘ−ｙ平面におけるｘ軸に対する第１領域面２２ａの勾配は正であり、第２領域面２２ｂの勾配は負であり、第３領域面２２ｃの勾配は０である。また、ｘ−ｙ平面におけるｘ軸に対する第１領域面２２ａの勾配は、第２領域面２２ｂの勾配よりも急峻である。すなわち、曲面２２とｘ−ｙ平面の平行面との交線である曲線の関数をｆ２（ｘ）とした場合、第１領域面２２ａでの関数ｆ２（ｘ）の傾きは正であり、第２領域面２２ｂでの関数ｆ２（ｘ）の傾きは負であり、第３領域面２２ｃでの関数ｆ２（ｘ）の傾きは０である。そして、第１領域面２２ａでの関数ｆ２（ｘ）の傾きの絶対値は、第２領域面２２ｂでの関数ｆ２（ｘ）の傾きの絶対値よりも大きい。また、エネルギー効率上、第１領域面２２ａと第２領域面２２ｂとは、第３領域面２２ｃを介して滑らかに接続されることが望ましい。すなわち、関数ｆ２（ｘ）は全ての点で一次微分可能な関数であることが望ましい。
【００３１】
図１Ａ，Ｂ及び図２に示すように、この例のカム２０の一面側には一定の距離を置いてベース部１０が配置され、カム２０は支持部２３〜２５を介してベース部１０と略平行に固定される。これにより、ベース部１０に対するカム２０の相対位置が固定される。
【００３２】
また、図１Ｂ，Ｃ及び図２に示すように、ベース部１０のカム２０側の面にはリニアガイド３０が固着される。この例のリニアガイド３０は断面略矩形のレールであり、そのベース部１０固着面に対して垂直な長手方向の両側面には、各側面に沿った溝３１が形成されている。なお、この例のリニアガイド３０は、前述したカム２０と直交する特定の平面（Ｐ１平面）上に長手方向の中心軸を配置した状態でベース部１０に固着される。
【００３３】
また、リニアガイド３０とカム２０との間には、少なくとも一部が磁化された鉄等からなる円柱等の柱状のシャフト５０がリニアガイド３０と並行に配置される。シャフト５０の両端は、それぞれ支持部５１，５２によってベース部１０に固定され、これにより、リニアガイド３０に対するシャフト５０の相対位置が固定される。
リニアガイド３０のカム２０側の面には、断面が略コの字状のスライダ４１が配置される。図１Ｃに例示するように、スライダ４１は、リニアガイド３０の両側面に設けられた溝３１を抱えこんだ状態でリニアガイド３０のカム２０側の面に配置され、リニアガイド３０に沿ってスライド移動可能に取り付けられる。
【００３４】
コイル部材４２は貫通孔４２ａを具備する。そして、コイル部材４２は、この貫通孔４２ａにシャフト５０がスライド可能に挿入され、スライダ４１のカム２０側の面に固着される。このコイル部材４２は、貫通孔４２ａの長手方向に沿って巻き付けられたコイルを具備し、当該コイルに交流電流が与えられた際にシャフト５０の長手方向の磁界を発生させる。
【００３５】
また、コイル部材４２のカム２０側の面には分銅４３が固着される。これにより、スライダ４１，コイル部材４２及び分銅４３によって構成された移動部材４０は、リニアガイド３０及びシャフト５０に沿った第１線Ｌ１上に移動が制限され、後述のように当該第１線Ｌ１上で周期的な並進運動を行う。なお、リニアガイド３０及びシャフト５０は、カム２０に対する相対位置が固定されているため、カム２０の曲面２１，２２に対する第１線Ｌ１の相対位置も固定されている。また、この例の場合、第１線Ｌ１は、前述したカム２０と直交する特定の平面（Ｐ１平面）上に配置される。
【００３６】
分銅４３のカム２０側の面にはリニアガイド６０が固着される。この例のリニアガイド６０は断面略矩形のレールであり、その分銅４３固着面に対して垂直な長手方向の両側面には、各側面に沿った溝６１が形成されている。また、図１Ａに示すように、本形態の例のリニアガイド６０の向きは、その長手方向がリニアガイド３０の長手方向と略垂直となる向きである。
【００３７】
リニアガイド６０のカム２０側の面には、断面が略コの字状の２つのスライダ７１，７２が配置される。図１Ｂに例示するように、スライダ７１，７２は、リニアガイド６０の両側面に設けられた溝６１を抱えこんだ状態でリニアガイド６０のカム２０側の面に配置され、リニアガイド６０に沿ってスライド移動可能に取り付けられる。
【００３８】
スライダ７１，７２のカム２０側の面には、それぞれ、カムフォロワ８１，８２が取り付けられる。なお、本形態の場合、カムフォロワ８１，８２は、前述の特定の平面（Ｐ１）に対して鏡面対称に取り付けられる。本形態のカムフォロワ８１，８２は、それぞれ、スライダ７１，７２に固着された回転軸を中心として回転する円柱状のローラーであり、それぞれの側面がカム２０の曲面２１，２２にそれぞれ接触して配置される。また、この例の場合、カムフォロワ８１，８２の各回転軸はカム２０の上面（ベース部１０側の反対面）側に突出し、突出した両回転軸はカム２０の上面側に配置されたバネ９０によって接続されている。このバネ９０の弾性力（引っ張り力）により、カムフォロワ８１，８２はカム２０の曲面２１，２２に対し、リニアガイド６０に沿った第２線Ｌ２方向（この例では第１線Ｌ１方向と略垂直方向）に押し付けられる。なお、この例の場合、バネ９０は、前述の特定の平面（Ｐ１）に対して鏡面対称な力を２つのカムフォロワ８１，８２に対して与える。
【００３９】
以上のような構成により、この例のカムフォロワ８１，８２は、前述の特定の平面（Ｐ１）に対して鏡面対称に、カム２０の曲面２１，２２に沿った移動が可能なように構成される。ここで、リニアガイド６０は移動部材４０に固定されているため、第２線Ｌ２の移動部材４０に対する相対位置も固定されている。結局、カムフォロワ８１，８２は、移動部材４０に対する相対位置が固定された第２線Ｌ２上に移動が制限され、さらにカム２０の曲面２１，２２に支持されて、カム２０の曲面２１，２２に沿った移動が可能となる。
【００４０】
なお、カムフォロワ８１，８２の直径は、第３領域面２１ｃ，２２ｃを介した第１領域面２１ａ，２２ａと第２領域面２１ｂ，２２ｂとのつなぎ目の曲率よりも十分小さいことが望ましい。カムフォロワ８１，８２の直径が大きすぎると、カムフォロワ８１，８２がカム２０の曲面２１，２２に沿って移動を行う際、カムフォロワ８１，８２が第１領域面２１ａ，２２ａと第２領域面２１ｂ，２２ｂとのつなぎ目部分に衝突し、エネルギーを損失するからである。
【００４１】
＜動作＞
次に、第１実施形態の加速度発生装置１の動作について説明する。
カムフォロワ８１，８２は、移動部材４０に固着されたリニアガイド６０によって移動方向が第２線Ｌ２上に制限されている。また、カムフォロワ８１，８２と移動部材４０とは相互に連動して第１線Ｌ１に沿った方向への移動を行う。また、カムフォロワ８１，８２は、バネ９０の弾性力を受けつつカム２０の曲面２１，２２に支持されてカム２０の曲面２１，２２に沿った移動運動を行い、移動部材４０は、カム２０の曲面２１，２２に対する相対位置が固定された第１線Ｌ１上に移動が制限される。その結果、各カムフォロワ８１，８２と移動部材４０との距離は、移動部材４０の位置（この例ではｘ座標）に応じ、カム２０の曲面形状（この例では関数ｆ１（ｘ），ｆ２（ｘ））に従って変化する。
【００４２】
さらに、バネ９０は、移動部材４０とカムフォロワ８１，８２との距離に依存する弾性エネルギーを保存する機構であるため、バネ９０がカムフォロワ８１，８２に与える力（バネ９０の引っ張り力）の大きさは移動部材４０の位置に応じて変化する。また、この力はカムフォロワ８１，８２をカム２０の曲面２１，２２に押し付ける方向の力であるため、この力の方向とカム２０の曲面２１，２２とがなす角度に応じた当該曲面２１，２２からの反作用力がカムフォロワ８１，８２に与えられ、その力はカムフォロワ８１，８２と相互に連動して移動する移動部材４０に伝わる。すなわち、カム２０の曲面２１，２２の形状（各位置の傾きや高さ）とカムフォロワ８１，８２や移動部材４０の位置とに応じた力が移動部材４０に与えられる。さらに、バネ９０によってカムフォロワ８１，８２にそれぞれ加えられる力の方向（本形態の例では第１線Ｌ１方向と略垂直方向）を基準とした第１領域面２１ａ，２２ａの角度と、第２領域面２１ｂ，２２ｂの角度とは正負及び絶対値が異なり、これらの角度に応じ、バネ９０によって移動部材４０やカムフォロワ８１，８２の進行方向に加えられる力の大きさも変化する。
【００４３】
このような力によって、移動部材４０は、第１線Ｌ１上を並進運動し、カムフォロワ８１，８２は、それぞれカム２０の曲面２１，２２に沿って運動する。なお、この加速度発生装置１の運動は、移動部材４０、カムフォロア８１，８２、リニアガイド６０、スライダ７１，７２及びバネ９０の運動エネルギーと、バネ９０の弾性エネルギー（位置エネルギー）との間のエネルギー変換がなされつつ行われる。つまり、移動部材４０が第１線Ｌ１上を移動すると、それに連動してバネ９０の長さが変化する。そして、バネ９０の長さが伸びる際には運動エネルギーから弾性エネルギーへの変換がなされ、バネ９０の長さが縮まる際には弾性エネルギーから運動エネルギーへの変換がなされる。摩擦等によるエネルギー損失が存在しないと仮定した場合、当該運動過程におけるエネルギーの総和は保存され、運動エネルギーと弾性エネルギーとの和は一定となる。このような仮定を行い、さらに移動部材４０、カムフォロア８１，８２、リニアガイド６０、スライダ７１，７２及びバネ９０を１つの剛体と仮定した場合、本形態の加速度発生装置１の運動は以下の運動方程式によって近似できる。
【数１】
2008233996.tif 000003
【００４４】
ただし、ｋはバネ９０のバネ定数であり、ｆ１（ｘ），ｆ２（ｘ）は前述したカム２０の曲面２１，２２に対応する曲線の関数であり、ｍは移動部材４０、カムフォロア８１，８２、リニアガイド６０、スライダ７１，７２及びバネ９０を１つの剛体と仮定した場合における当該剛体の質量であり、ｖ０は当該剛体の初速度である。
【００４５】
そして、前述のように曲面２１，２２の形状を設定することにより、移動部材４０は第１線Ｌ１上を周期的に往復運動し、移動部材４０の一周期中での加速度の時間変化は、加速度が正方向の場合と負方向の場合とで非対称となる。すなわち、式（１）の近似を満たした状態で加速度(d2x/d2t)の時間変化が(d2x/d2t)>0の場合と(d2x/d2t)<0の場合とで非対称となる関数ｆ１（ｘ），ｆ２（ｘ）に対応する曲面２１，２２を形成することにより、移動部材４０の一周期中での加速度の時間変化は、加速度が正方向の場合と負方向の場合とで非対称となる。
【００４６】
その結果、本形態の移動部材４０の並進運動は、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運動となる。そして、移動部材４０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（図１１参照）の傾きが、移動部材４０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運動となるようにカム２０の曲面２１，２２を形成することにより、第１線Ｌ１方向に疑似的な力覚を発生させることができる。
【００４７】
図３Ａ〜図３Ｆは、本形態の移動部材４０の並進運動を説明するための概念図である。
カムフォロア８１，８２がそれぞれ第１領域面２１ａ，２２ａに存在する場合（図３Ａ）、バネ９０の弾性力により、移動部材４０にはＡ１方向の加速度が与えられ、カムフォロア８１，８２にはそれぞれＡ２，Ａ３方向の加速度が与えられる。これにより、移動部材４０は、急速に加速しながら第１線Ｌ１上をＡ１方向に移動し、カムフォロア８１，８２は、それぞれ急速に加速しながら曲面２１，２２に沿ってＡ２，Ａ３方向に移動する。
【００４８】
この移動によってカムフォロア８１，８２が第２領域面２１ｂ，２２ｂに達した場合（図３Ｂ）、バネ９０の弾性力により、移動部材４０にはＢ１方向の逆方向の加速度が与えられ、カムフォロア８１，８２にはそれぞれＢ２，Ｂ３方向の逆方向の加速度が与えられる。これにより、移動部材４０は緩やかに減速しながら第１線Ｌ１上をＢ１方向に移動し、カムフォロア８１，８２はそれぞれ緩やかに減速しながら曲面２１，２２に沿ってＢ２，Ｂ３方向に移動する。
【００４９】
さらにカムフォロア８１，８２が図３Ｃの位置に達した場合、移動部材４０は緩やかに減速しながら第１線Ｌ１上をＣ１方向に移動し、カムフォロア８１，８２はそれぞれ緩やかに減速しながら曲面２１，２２に沿ってＣ２，Ｃ３方向に移動する。そして、カムフォロア８１，８２が図３Ｄの位置に達した時点で、移動部材４０及びカムフォロア８１，８２の速度は一旦ゼロとなる。その後、移動部材４０は、バネ９０の弾性力によって与えられた加速度で緩やかに加速しながら第１線Ｌ１上をＤ１方向に移動し、カムフォロア８１，８２は、それぞれ緩やかに加速しながら曲面２１，２２に沿ってＤ２，Ｄ３方向に移動する。
【００５０】
この移動によってカムフォロア８１，８２が図３Ｅの位置に達し、移動部材４０は、バネ９０の弾性力によって与えられた加速度で緩やかに加速しながら第１線Ｌ１上をＥ１方向に移動し、カムフォロア８１，８２は、それぞれ緩やかに加速しながら曲面２１，２２に沿ってＥ２，Ｅ３方向に移動する。さらに、カムフォロア８１，８２は図３Ｆの位置に達し、移動部材４０は、バネ９０の弾性力によって与えられた加速度で緩やかに加速しながら第１線Ｌ１上をＦ１方向に移動し、カムフォロア８１，８２は、それぞれ緩やかに加速しながら曲面２１，２２に沿ってＦ２，Ｆ３方向に移動する。
【００５１】
その後、カムフォロア８１，８２が第２領域面２１ｂ，２２ｂに達し、移動部材４０は、バネ９０の弾性力によって与えられた加速度で急激に減速しながら第１線Ｌ１上を移動し、カムフォロア８１，８２は、それぞれ急速に加速しながら曲面２１，２２に沿って移動し、図３Ａの位置で一旦停止する。その後同様に図３Ａ〜図３Ｆの運動を周期的に繰り返す。
このような移動部材４０の加速度が非対称な往復により、図４に例示するような方向に疑似的な力覚を知覚させる。
【００５２】
＜制御＞
本形態の加速度発生装置１は、摩擦等の損失が存在せず、エネルギーが完全に保存されるのであれば、永久に並進運動を継続する構成である。しかし、実際には、空気抵抗やリニアガイド３０とスライダ４１との摩擦等が存在し、エネルギーは完全に保存されない。よって、この損失分のエネルギーを加速度発生装置１に供給する必要がある。また、加速度発生装置１の駆動を開始させる際にも加速度発生装置１にエネルギーを供給する必要がある。このようなエネルギーの供給は、例えば以下のように行う。
【００５３】
まず、シャフト５０を長手方向に所定の間隔でＳ極とＮ極とを具備する磁石によって構成する。この場合にコイル部材４２のコイルに交流電流（２層交流や３層交流等）を供給すると、当該コイルには供給された電流の向きに応じた磁界が発生し、これによってコイル部材４２に初速度が与えられる。コイル部材４２の移動速度は、例えば、磁石であるシャフト５０によってコイル部材４２のコイルに誘導された誘導起電力を用いて検出される。そして、コイル部材４２が所定の位置で所定の速度に達したことが検出されると、コイル部材４２のコイルへの電流供給が一旦中止される。また、コイル部材４２が所定の位置で所定の速度を下回ったことが検出されるとコイル部材４２のコイルへの電流供給が再開される。これによってエネルギー損失分に相当するエネルギーが加速度発生装置１に供給され、移動部材４０は周期的な並進運動を継続する。
【００５４】
また、シャフトモータとエンコーダとを用い、このようなエネルギーの供給を行ってもよい。図５Ａ及び図５Ｂは、シャフトモータとエンコーダとを用いて加速度発生装置１にエネルギー供給するための構成を例示した図である。
【００５５】
図５Ａ及び図５Ｂの例の加速度発生装置１は、さらに、コイル部材４２及び分銅４３に固着されたリニアエンコーダ（光学式、磁気式等）１１０と、支持部１２１，１２２によってシャフト５０に沿ってベース部１０に固定されたエンコーダ用スケール（光学スケール、磁気スケール等）１２０とを具備する。また、この例のシャフト５０は、長手方向に所定の間隔でＳ極とＮ極とが交互に繰り返された磁石である。そして、コイル部材４２が具備するコイルには、交流電流（２層交流や３層交流等）の供給を行う制御回路１３０が電気的に接続される。また、リニアエンコーダ１１０には、その検出信号が入力され、当該検出信号に基づき制御回路１３０を制御するＰＣ（パーソナルコンピュータ）１４０が電気的に接続される。
【００５６】
ＰＣ１４０の制御のもと制御回路１３０がコイル部材４２のコイルに交流電流を供給すると、当該コイルには供給された電流の向きに応じた磁界が発生し、これによってコイル部材４２に初速度が与えられる。コイル部材４２の移動速度はリニアエンコーダ１１０によって検出され、その検出信号はＰＣ１４０に入力される。ＰＣ１４０はその検出信号を用いてコイル部材４２の所定位置での速度を計算する。なお、この計算はリニアエンコーダ１１０の位置情報を時間微分することで計算できる。ＰＣ１４０は、コイル部材４２が所定の位置で所定の速度に達したことを検出すると、制御回路１３０によるコイル部材４２のコイルへの電流供給を一旦中止させる。また、ＰＣ１４０は、コイル部材４２が所定の位置で所定の速度を下回ったことを検出すると、制御回路１３０によるコイル部材４２のコイルへの電流供給を再開する。これによってエネルギー損失分に相当するエネルギーが加速度発生装置１に供給され、移動部材４０は周期的な並進運動を継続する。
【００５７】
＜本形態の特徴＞
以上のように、本形態では、反作用力を支持する支点や力点を設けることなく時間的に安定した力覚を知覚させることができる。
また、本形態の加速度発生装置１の場合、カム２０の曲面２１，２２の形状を変えるだけで、移動部材４０等の加速度の時間変化を任意に設定できる。その結果、擬似力覚を発生させるために最適な加速度変化を容易に実現することができる。
さらに、本形態の加速度発生装置１は、摩擦等の損失が存在せず、エネルギーが完全に保存されるのであれば、永久に並進運動を継続する構成である。よって、コイル部材４２に供給される交流電流は、この損失分を補う程度のものであればよい。すなわち、低い消費電力で上述の擬似的な力覚を発生させることができる。
【００５８】
加えて、本形態の加速度発生装置１は、一旦発生させた回転動力を並進運動に変換するのではなく、コイル部材４２に交流電流を供給することによって移動部材４０の第1直線Ｌ１方向の動力を直接発生させている。すなわち、アクチュエータとしてリニアアクチュエータを用いている。そのため、回転動力を並進運動に変換する場合に必要な機構が不要となり、装置の小型・省スペース化・軽量化が可能となる。その結果、加速度発生装置１を携帯電話等の電子機器に内蔵することも可能となり、その応用分野が広がる。
【００５９】
また、本形態の加速度発生装置１の場合、カム２０は、特定の平面Ｐ１に対して鏡面対称な２つの曲面２１，２２を具備し、第１線Ｌ１は、特定の平面Ｐ１上の線であり、カムフォロワ８１，８２は、当該特定の平面Ｐ１に対して鏡面対称に２つ設けられ、２つのカムフォロワ８１，８２は、当該特定の平面Ｐ１に対して鏡面対称に移動し、バネ９０は、当該特定の平面Ｐ１に対して鏡面対称な力を２つのカムフォロワ８１，８２に対して与える。これにより、移動部材４０の移動方向である第１直線Ｌ１と略垂直となる第２直線Ｌ２方向の力が相殺され、擬似的な力を発生させる方向のみに加速度が発生する。その結果、擬似的な力覚を適切に提示することが可能となる。また、このように対称な構成とすることにより、当該特定の平面Ｐ１を中心とした両側の力のバランスがとれ、リニアガイド６０とスライダ４１との間の摩擦等を小さくすることができる。これにより、高いエネルギー効率（省電力化）を実現できる。
【００６０】
また、本形態の加速度発生装置１の場合、バネ９０は、移動部材４０の移動方向である第１直線Ｌ１と略垂直となる第２直線Ｌ２方向に伸び縮みする。ユーザは自らの前後方向を第１線Ｌ１方向として加速度発生装置１を手で把持するケースが多いと想定される（図４参照）。この場合、バネ９０によってカムフォロワ８１，８２に加えられる力の方向が第１線Ｌ１方向に近いと、ユーザの肘のバネ作用の影響によってカムフォロワ８１，８２に加えられる力に誤差が生じてしまう。この影響が最少となるのは、本形態のようにバネ９０によってカムフォロワ８１，８２に加えられる力の方向が第１線Ｌ１方向と略垂直となる第２直線Ｌ２方向の場合である。
【００６１】
〔第２実施形態〕
次に本発明の第２実施形態について説明する。
本形態は第１実施形態の変形例であり、カムが具備する曲面と第１線との相対位置を変化させ、当該相対位置を任意の位置で固定可能とする点が第１実施形態との相違点である。このように、カムが具備する曲面と第１線との相対位置を変化させることにより、エネルギー保存機構によってカムフォロワに加えられる力の方向を基準とした第１領域面の角度と、エネルギー保存機構によってカムフォロワに加えられる力の方向を基準とした第２領域面の角度とを、それぞれ変化させる。これにより、移動部材の加速度の時間変化（加速度プロファイル）を自由に調整できる。以下、上述した第１実施形態との相違点を中心に、本発明の第２実施形態の説明を行う。なお、第１実施形態と共通する事項については説明を簡略化する。
【００６２】
＜構成＞
図６Ａ，Ｂは、第２実施形態の加速度発生装置２０１の構成を示した図である。ここで、図６Ａは本形態の加速度発生装置２０１の平面図である。また、図６Ｂは本形態の加速度発生装置２０１の正面図である。なお、図６Ａ，Ｂにおいて第１実施形態と共通する部分については第１実施形態の図と同じ符号を用いている。
図６Ａ，Ｂに示すように、本形態の加速度発生装置２０１は、ベース部１０と、カム２２０，２３０と、リニアガイド３０，６０と、スライダ４１，コイル部材４２及び分銅４３を具備する移動部材４０と、シャフト５０，２５１〜２５３と、コイル部材２５３ｃ，２５３ｅと、保持部材２５１ｃ，２５２ｃと、スライダ７１，７２と、カムフォロワ８１，８２と、バネ９０とを具備する。なお、シャフト２５１〜２５３，保持部材２５１ｃ，２５２ｃ，コイル部材２５３ｃ，２５３ｅが「調整部」に相当する。
【００６３】
この例の２つのカム２２０，２３０は剛体とみなせる板（例えば、ステンレス、プラスチック製等）であり、それぞれの１側面にそれぞれ曲面２２１，２３２を具備する。この例のカム２２０，２３０は同一平面上に配置され、この平面と平行な面をｘ−ｙ平面とする。２つのカム２２０，２３０がそれぞれ具備する曲面２２１，２３２は相互に面対称に形成される。本形態の場合、カム２２０，２３０全体が相互に面対称に構成される。そして、２つのカム２２０，２３０は、図６Ａの状態で、各曲面２２１，２３２が第１直線Ｌ１を通るｘ−ｚ平面と並行な平面Ｐ１と反対側を向き、なおかつ、当該平面Ｐ１に対して面対称となるように配置される。
【００６４】
曲面２２１は、第１領域面２２１ａと第２領域面２２１ｂと第３領域面２２１ｃとを具備する。ここで、図６Ａの状態では、ｘ−ｙ平面におけるｘ軸に対する第１領域面２２１ａの勾配は負であり、第２領域面２２１ｂの勾配は正であり、第３領域面２２１ｃの勾配は０である。また、図６Ａの状態では、ｘ−ｙ平面におけるｘ軸に対する第１領域面２２１ａの勾配は、第２領域面２２１ｂの勾配よりも急峻である。すなわち、曲面２２１とｘ−ｙ平面の平行面との交線である曲線の関数をｆ１（ｘ）とした場合、図６Ａの状態では、第１領域面２２１ａでの関数ｆ１（ｘ）の傾きは負であり、第２領域面２２１ｂでの関数ｆ１（ｘ）の傾きは正であり、第３領域面２２１ｃでの関数ｆ１（ｘ）の傾きは０である。そして、第１領域面２２１ａでの関数ｆ１（ｘ）の傾きの絶対値は、第２領域面２２１ｂでの関数ｆ１（ｘ）の傾きの絶対値よりも大きい。また、エネルギー効率上、第１領域面２２１ａと第２領域面２２１ｂとは、第３領域面２２１ｃを介して滑らかに接続されることが望ましい。すなわち、関数ｆ１（ｘ）は全ての点で一次微分可能な関数であることが望ましい。
【００６５】
また、曲面２３２は、第１領域面２３２ａと第２領域面２３２ｂと第３領域面２３２ｃとを具備する。ここで、図６Ａの状態では、ｘ−ｙ平面におけるｘ軸に対する第１領域面２３２ａの勾配は正であり、第２領域面２３２ｂの勾配は負であり、第３領域面２３２ｃの勾配は０である。また、図６Ａの状態では、ｘ−ｙ平面におけるｘ軸に対する第１領域面２３２ａの勾配は、第２領域面２３２ｂの勾配よりも急峻である。すなわち、曲面２３２とｘ−ｙ平面の平行面との交線である曲線の関数をｆ２（ｘ）とした場合、図６Ａの状態では、第１領域面２３２ａでの関数ｆ２（ｘ）の傾きは正であり、第２領域面２３２ｂでの関数ｆ２（ｘ）の傾きは負であり、第３領域面２３２ｃでの関数ｆ２（ｘ）の傾きは０である。そして、第１領域面２３２ａでの関数ｆ２（ｘ）の傾きの絶対値は、第２領域面２３２ｂでの関数ｆ２（ｘ）の傾きの絶対値よりも大きい。また、エネルギー効率上、第１領域面２３２ａと第２領域面２３２ｂとは、第３領域面２３２ｃを介して滑らかに接続されることが望ましい。すなわち、関数ｆ２（ｘ）は全ての点で一次微分可能な関数であることが望ましい。
【００６６】
また、カム２２０は、一定の距離をおいた２つの貫通穴２２３，２２４を具備し、カム２３０は、一定の距離をおいた２つの貫通穴２３３，２３４を具備する。この例では、カム２２０の両端部分（曲面２２１が形成された側面に沿った長手方向の両端部分）に２つの貫通穴２２３，２２４が形成され、カム２３０の両端部分（曲面２３２が形成された側面に沿った長手方向の両端部分）に２つの貫通穴２３３，２３４が形成される。
【００６７】
図６Ａ，Ｂに示すように、この例のカム２２０，２３０の一面側には一定の距離を置いてベース部１０が配置される。ベース部１０とカム２２０，２３０との間には、それぞれベース部１０と一定の距離をおいたシャフト２５１，２５２が略平行に配置される。これら２つのシャフト２５１とシャフト２５２は、それぞれ支持部２５１ａ，２５１ｂと支持部２５２ａ，２５２ｂとを介してベース部１０に固着される。また、この例の保持部材２５１ｃ，２５２ｃはそれぞれ貫通穴を具備する直方体である。各保持部材２５１ｃ，２５２ｃは、これらの貫通穴にシャフト２５１，２５２がそれぞれ挿入され、スライド可能な状態でシャフト２５１，２５２に支持される。そして、各保持部材２５１ｃ，２５２ｃのベース部１０と反対側の面には、それぞれ突起した円柱状の回転軸２５1ｃａ，２５２ｃａが設けられる。
【００６８】
また、図６Ａ，Ｂに示すように、シャフト２５１，２５２とカム２２０，２３０との間には、シャフト２５３が、ベース部１０と略平行、かつ、シャフト２５１，２５２と略垂直に配置される。このシャフト２５３は、シャフト２５１，２５２から一定の距離を離した位置に配置され、この状態で支持部２５３ａ，２５３ｂを介してベース部１０に固定されている。なお、シャフト２５３は、シャフト５０と同様にＳ極とＮ極とが配置された磁石である。また、この例のコイル部材２５３ｃ，２５３ｅはそれぞれ、コイル部材４２と同様な構成の直方体である。コイル部材２５３ｃ，２５３ｅの貫通穴にはともにシャフト２５３が挿入され、コイル部材２５３ｃ，２５３ｅは、シャフト２５３に沿ったスライドが可能な状態でシャフト２５３に支持される。そして、各コイル部材２５３ｃ，２５３ｅのベース部１０と反対側の面には、それぞれ突起した円柱状の回転軸２５３ｃａ，２５３ｅａが設けられる。
【００６９】
そして、図６Ａに示すように、カム２２０の貫通穴２２３には回転軸２５１ｃａが挿入され、貫通穴２２４には回転軸２５３ｃａが挿入される。これによりカム２２０は、回転軸２５１ｃａ，２５３ｃａを軸としたｘ−ｙ平面上での回転運動が可能なようにコイル部材２５１ｃ，２５３ｃに支持される。また、カム２３０の貫通穴２３３には回転軸２５２ｃａが挿入され、貫通穴２３４には回転軸２５３ｅａが挿入される。これによりカム２３０は、回転軸２５２ｃａ，２５３ｅａを軸としたｘ−ｙ平面上での回転運動が可能なように保持部材２５２ｃ，２５３ｅに支持される。
【００７０】
また、図６Ａ，Ｂに示すように、第１実施形態と同様に、リニアガイド３０、シャフト５０、移動部材４０（スライダ４１、コイル部材４２及び分銅４３）、リニアガイド６０、スライダ７１，７２、カムフォロワ８１，８２及びバネ９０が配置構成される。なお、カムフォロワ８１，８２は、移動部材４０に対する相対位置が固定された第２線Ｌ２上に移動が制限され、さらにカム２２０，２３０の曲面２２１，２３２に支持されて、カム２２０，２３０の曲面２２１，２３２に沿った移動が可能なように配置される。
＜動作＞
本形態の加速度発生装置２０１の疑似的な力覚を発生させるための動作については、第１実施形態の加速度発生装置１と同様である。本形態の加速度発生装置２０１の特徴は、カム２２０，２３０の位置を変化させることにより、第１線Ｌ１に対するカム２２０，２３０の曲面２２１，２３２の相対位置を変化させ、移動部材４０の加速度プロファイルを変化させる点である。以下では、この動作のみを説明する。
【００７１】
図７は、この動作を説明するための加速度発生装置２０１の平面図である。ＰＣ３１１の制御のもと制御回路３２１，３２２からコイル部材２５３ｃ，２５３ｅに交流電流が供給されると、コイル部材２５３ｃ，２５３ｅが具備するコイルには電流の向きに応じた磁界が発生し、これによりコイル部材２５３ｃ，２５３ｅがシャフト２５３に沿って移動する。この移動に伴い、回転軸２５３ｃａ，２５３ｅａもシャフト２５３に沿って移動する。ここで、カム２２０，２３０は、回転軸２５１ｃａ，２５２ｃａにも回転可能に支持されているため、カム２２０，２３０は、それぞれ回転軸２５１ｃａ，２５２ｃａを中心とした揺動運動を行う。なお、この揺動運動に伴い、保持部材２５１ｃ，２５２ｃは、それぞれシャフト２５１，２５２に沿ってスライドする。そして、このカム２２０，２３０の揺動運動によって、第１線Ｌ１に対するカム２２０，２３０の曲面２２１，２３２の相対位置が変化し、第１線Ｌ１に対する曲面２２１，２３２の傾斜が変化する。これはカム２２０，２３０の曲面２２１，２３２形状を変更したのと等価である。つまり、このようにカム２２０，２３０を揺動運動させることにより、移動部材４０の加速度プロファイルを変化させることができる。そして、所定の位置でカム２２０，２３０を固定し、第１線Ｌ１に対する曲面２２１，２３２の相対位置を固定した状態で移動部材４０が並進往復運動を行うことにより、その加速度プロファイルに応じた擬似的な力覚を知覚させることができる。なお、カム２２０，２３０の位置を固定する方法については特に限定はない。この固定方法としては、例えば、コイル部材２５３ｃ，２５３ｅに直流電流を供給し続けたり、制御駆動可能なストッパーによって機械的に固定したりして、コイル部材２５３ｃ，２５３ｅをシャフト２５３に固定する構成を例示できる。また、保持部材２５１ｃ，２５２ｃをそれぞれシャフト２５１，２５２に固定する構成であってもよい。
【００７２】
なお、加速度発生装置２０１の駆動途中に上述のようにカム２２０，２３０を揺動運動させる場合、そのカム２２０，２３０の揺動運動は、カム２２０，２３０と第１線Ｌ１との相対位置の変化に対する、移動部材４０とカムフォロワ８１，８２との距離の変化が所定値以下又は未満となる位置に移動部材４０及びカムフォロワ８１，８２が存在する際に行うことが望ましい。これにより、カム２２０，２３０の揺動運動に伴うエネルギーの変化を低く抑えることができ、加速度発生装置２０１の安定動作が実現できる。より好ましくは、移動部材４０とカムフォロワ８１，８２との距離の変化が最少となるタイミングで行うことが望ましい。これにより、カム２２０，２３０の揺動運動に伴うエネルギーの変化を最も小さくできる。図６の例では、カムフォロワ８１，８２が、第３領域２２１ｃ，２３２ｃに存在する際にカム２２０，２３０を揺動運動させることが最適である。
【００７３】
また、カム２２０，２３０の揺動運動に伴うカム２２０とカム２３０との変位は、前述の平面Ｐ１に対して面対称であることが望ましい。これにより、カム２２０，２３０のカム２２０，２３０は平面Ｐ１に対して面対称となり、第１実施形態で述べたように、高いエネルギー効率で擬似的な力覚を適切に提示することが可能となる。
【００７４】
＜本形態の特徴＞
上述のように本形態では、第１線Ｌ１に対するカム２２０，２３０の曲面２２１，２３２の相対位置を変化させ、移動部材４０の加速度プロファイルを変化させることができる。これにより、擬似的な力覚を知覚させる程度を自由に調整できる。
【００７５】
また、図６及び図７の変形例としてカム２２０，２３０を大きくとることができれば、加速度プロファイルの正負を反転させることも可能であり、この場合には疑似的な力覚を知覚させる方向を反転させることもできる。ただ、この場合にはカムフォロワ８１，８２の移動範囲を考慮し、曲面２２１，２３２の第１領域面２２１ａ，２３２ａのｘ−ｙ平面における長さを延長する必要がある。例えば、１領域面２２１ａ，２３２ａのｘ−ｙ平面における長さを、第２領域面２２１ｂ，２３２ｂのｘ−ｙ平面における長さと同程度のする必要がある。
【００７６】
図８及び図９は、曲面の第１領域面と第２領域面とのｘ−ｙ平面における長さを同程度にし、さらにカムの揺動運動幅を大きくとることにより、疑似的な力覚を知覚させる方向を反転させることが可能な加速度発生装置４０１を例示した平面図である。
図８の例の加速度発生装置４０１が具備するカム４２０，４３０の曲面４２１，４３１は、それぞれ、第１領域面４２１ａ，４３１ａと第２領域面４２１ｂ，４３１ｂと第３領域面４２１ｃ，４３１ｃとを具備する。図８に例示するように、この構成では、曲面４２１，４３１の第１領域面４２１ａ，４３１ａと第２領域面４２１ｂ，４３１ｂとのｘ−ｙ平面における長さが同程度になっている。
【００７７】
そして、カム４２０，４３０を図８の状態から図９の状態に揺動運動させれば、第１線Ｌ１に対するｘ−ｙ平面上での第１領域面４２１ａ，４３１ａの角度の絶対値と、第２領域面４２１ｂ，４３１ｂの角度の絶対値とを反転させることができる。これにより、移動部材４０の加速度の時間変化の正負（加速度プロファイルの正負）を反転させることができる。
また、図６のような２つのカムを複数組設け、移動部材４０とリニアガイド６０とスライダ７１，７２とカムフォロワ８１，８２とバネ９０とが複数組のカム２２０，２３０間を移動する構成であってもよい。これにより、カムフォロワ８１，８２が接触するカムの曲面の位置に応じ、さまざまな方向・時間変化の加速度を発生させることができる。以下にその一例を示す。
【００７８】
図１０は、２つのカムを２組設け（カム２２０，２３０，５２０，５３０）、移動部材４０とリニアガイド６０とスライダ７１，７２とカムフォロワ８１，８２とバネ９０とが複数組のカム２２０，２３０間を移動する構成とした加速度発生装置の動作を説明するための図である。
図１０Ａの状態では、カムフォロワ８１，８２はカム２２０，２３０の各曲面のみに沿った運動を行い、それに伴い移動部材４０はリニアガイド３０に沿った往復運動を行う。これにより、移動部材４０は、カム２２０，２３０の各曲面に応じた加速度プロファイルで運動し、その運動に応じた疑似的な力覚を知覚させる。
【００７９】
また、図１０Ａの運動の過程においてカム２２０，２３０を揺動運動させ、カム２２０，２３０の位置を図１０Ｂの位置にした場合、カムフォロワ８１，８２は図１０Ｃのようにカム５２０，５３０側に移動する。その後、カム５２０，５３０を揺動運動させ、カム５２０，５３０の位置を図１０Ｄの位置にした場合、カムフォロワ８１，８２はカム５２０，５３０の各曲面のみに沿った運動を行い、それに伴い移動部材４０はリニアガイド３０に沿った往復運動を行う。これにより、移動部材４０は、カム５２０，５３０の各曲面に応じた加速度プロファイルで運動し、その運動に応じた疑似的な力覚を知覚させる。
【００８０】
ここで図１０Ａの状態と図１０Ｄの状態では移動部材４０の加速度プロファイルを反転させることも可能である。よって、疑似的な力覚を知覚させる方向を反転させることも可能である。
【００８１】
〔その他の変形例〕
なお、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではない。例えば、第１実施形態ではカム２０の曲面２１，２２を鏡面対称に構成し、第２実施形態では、カム２２０，２３０の曲面２２１，２３２が鏡面対称に配置される構成とした。しかし、第１実施形態においてカム２０の曲面２１，２２を鏡面対称に構成せず、第２実施形態において、カム２２０，２３０の曲面２２１，２３２を鏡面対称に配置しない構成であってもよい。
【００８２】
また、第１実施形態において、カム２０の曲面２１のみを具備し、曲面２２部分が平面状に形成されてもよい。さらに、カムフォロワ８２を設けず１つのかむカムフォロワ８１を用いる構成であってもよい。この場合には、例えばバネ９０の一端がカムフォロワ８１の回転軸に保持され、その他端が移動部材４０に保持される構成とする。この場合、加速度発生装置の運動は以下の運動方程式によって近似できる。
【数２】
2008233996.tif 000004
【００８３】
また、前述したような１又は２つの曲面を具備する板状のカムではなく、１つ以上の曲面を具備する３次元カムを用いて本発明の構成を実現してもよい。また、複数の曲面を具備する３次元カムを用い、カムフォロワを所望の曲面上で移動させる制御を行ってもよい。これにより、カムフォロワが配置された曲面に応じて移動部材の加速度プロファイルを変化さえることができる。
【００８４】
また、３以上の曲面を具備する３次元カムを用い、３以上のカムフォロワがそれぞれ当該３次元カムの曲面に沿って移動する構成であってもよい。この場合に好ましくは、カムは特定の直線に対して対称な複数の曲面を具備し、移動部材の移動経路である第１線を当該特定の直線に沿った線とし、カムフォロワを当該特定の平面に対して対称に複数設け、複数のカムフォロワは当該特定の直線に対して対称に移動し、バネが当該特定の直線に対して対称な力を複数のカムフォロワに対して与える構成とすることが望ましい。このような対称な構成とすることにより、第１実施形態で述べたように、高いエネルギー効率で擬似的な力覚を適切に提示することが可能となるからである。
【００８５】
また、第１，２実施形態では、リニアガイド６０により、カムフォロワ８１，８２の移動方向が第１線Ｌ１と略垂直な方向に制限されていた。すなわち、第１線Ｌ１と第２線Ｌ２とは略垂直であった。しかし、カムフォロワ８１，８２の移動方向が第１線Ｌ１と略垂直でない構成であってもよい。例えば、第１線Ｌ１と第２線Ｌ２とのなす角度が０°程度や４５°程度等であってもかまわない。そして、好ましくは、前述した理由により、加速度発生装置を把持した際、第２線Ｌ２方向がひじの曲げ伸ばし方向と略垂直であることが望ましい。
【００８６】
また、第１，２実施形態では、第１線Ｌ１及び第２線Ｌ２は直線であった。しかし、第１線Ｌ１及び第２線Ｌ２の少なくとも一方が曲線であってもかまわない。すなわち、リニアガイドが曲線状に構成・配置されてもかまわない。
さらに、カムフォロワ８１，８２に分銅を固着する構成であってもよく、移動部材４０が分銅４３を具備しない構成であってもよい。
【００８７】
また、第１，２実施形態では、バネ９０をエネルギー保存機構とし、バネ９０の弾性力によって位置エネルギーを保存する構成とした。しかし、磁石をエネルギー保存機構として磁力による位置エネルギーを保存する構成であってもよいし、電荷を帯電させた絶縁体をエネルギー保存機構としてクーロン力による位置エネルギーを保存する構成であってもよい。また、第１，２実施形態では、バネ９０を引っ張りバネとしたが、圧縮バネや板バネ等を用いてもよい。要はカムフォロワと移動部材との位置の変化を位置エネルギーとして保存できる構成であればよい。なお、圧縮バネにように、カムフォロワと移動部材との斥力を生じさせる構成の場合は、例えば、カムの曲面が移動部材側（内側）に向くようにカムを構成・配置すればよい。
【００８８】
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。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
物理的に完全な作用力を生じさせるためには通常、その反作用力を支持する支点や力点が必要となるが、本発明では、物理的な作用力としての平均は０のままでありながら、人間の力覚知覚の非線形性と作用力の正負の絶対値の差によって擬似的に狙った方向ヘの力覚表示を可能にする。このように外部に支点を必要としないため感覚提示デバイスとしては、例えば、携帯電話等のモバイル機器やウェアラブルコンピューティングなどの分野を例示できる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】、図１Ａは第１実施形態の加速度発生装置の平面図である。また、図１Ｂは第１実施形態の加速度発生装置の正面図である。また、図１Ｃは図１Ａの１Ｃ−１Ｃ断面図である。
【図２】図２は第１実施形態の加速度発生装置１の斜視図である。
【図３】図３Ａ〜図３Ｆは、第１実施形態の移動部材の並進運動を説明するための概念図である。
【図４】第１実施形態の加速度発生装置の把持の仕方を例示した図である。
【図５】図５Ａ及び図５Ｂは、シャフトモータとエンコーダとを用いて加速度発生装置にエネルギー供給するための構成を例示した図である。
【図６】図６Ａは第２実施形態の加速度発生装置の平面図である。また、図６Ｂは第２実施形態の加速度発生装置の正面図である。
【図７】図７は、第２実施形態の加速度発生装置の平面図である。
【図８】図８及び図９は、曲面の第１領域面と第２領域面とのｘ−ｙ平面における長さを同程度にし、さらにカムの揺動運動幅を大きくとることにより、疑似的な力覚を知覚させる方向を反転させることが可能な加速度発生装置を例示した平面図である。
【図９】図８及び図９は、曲面の第１領域面と第２領域面とのｘ−ｙ平面における長さを同程度にし、さらにカムの揺動運動幅を大きくとることにより、疑似的な力覚を知覚させる方向を反転させることが可能な加速度発生装置を例示した平面図である。
【図１０】図１０は、２つのカムを２組設け、移動部材とリニアガイドとスライダとカムフォロワとバネとが複数組のカム間を移動する構成とした加速度発生装置の動作を説明するための図である。
【図１１】人体に加えられる物理的な加速度と、その加速度が人体に加えられた際に人体が知覚する加速度（知覚反応量）との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
【００９１】
１，２０１      加速度発生装置
１０    ベース部
２０，２２０，２３０    カム  
２１，２２，２２１，２３２           曲面
２１ａ，２２ａ，２２１ａ，２３２ａ    第１領域面
２１ｂ，２２ｂ，２２１ｂ，２３２ｂ         第２領域面
２１ｃ，２２ｃ，２２１ｃ，２３２ｃ         第３領域面
３０，６０      リニアガイド
４０    移動部材
４１    スライダ
４２    コイル部材
４３    分銅
５０    シャフト
７１，７２      スライダ
８１，８２      カムフォロワ
９０    バネ
【図１】
2008233996.tif 000005
【図２】
2008233996.tif 000006
【図３】
2008233996.tif 000007
【図４】
2008233996.tif 000008
【図５】
2008233996.tif 000009
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2008233996.tif 000013
【図１０】
2008233996.tif 000014
【図１１】
2008233996.tif 000015