(57)【要約】【課題】  人に仮想物体の存在や衝突の衝撃力を与える従来の非接地型で身体内にベースがないマンマシンインタフェースにおいて、触力覚感覚提示機の物理的特性だけでは提示し得ない、同一方向にトルクおよび力などの触力覚感覚を連続的に提示できるシステムおよび方法を実現する。【解決手段】  触力覚提示機１１２は、制御装置１１１により、触力覚提示機１１２中の１個以上からなる回転子の回転速度が制御され、その物理特性である振動、力、トルクが制御されることによって、ユーザ１１０にその振動、力、トルクなどの様々な触力覚情報を知覚させる。この触力覚情報提示システムは、人間の感覚特性、もしくは錯覚を利用して適切に物理量を制御することにより、物理的には存在し得ない力、もしくは触力覚的感覚物理特性を人に体感させる。【選択図】  図１
2005190465.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの偏心回転子を有する触力覚提示手段と、
前記２つの偏心回転子における回転方向と位相関係と回転速度とを制御することにより、振動および／または振動感覚の周波数と強度を独立して変化させる制御手段と
を備えたことを特徴とする触力覚情報提示システム。
【請求項２】
２つの偏心回転子を有する触力覚提示手段と、
前記２つの偏心回転子における回転方向を反転させることにより、力および／または力感覚の周波数と強度を独立して変化させる制御手段と
を備えたことを特徴とする触力覚情報提示システム。
【請求項３】
単一の偏心回転子、および／または２つの偏心回転子からなるツイン偏心回転子、および／または３次元空間上に配置されたツイン偏心回転子を、２次元的または３次元的に複数個配置した偏心回転子アレイを有する触力覚提示手段と、
前記触力覚提示手段に含まれている各偏心回転子の回転状態を制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする触力覚情報提示システム。
【請求項４】
請求項３に記載の触力覚情報提示システムにおいて、
前記偏心回転子アレイを加工してスキン状偏心回転子アレイを形成し、
前記制御手段の制御態様に応じて、空間的および時間的に変化する振動および／または振動感覚、トルクおよび／またはトルク感覚、力および／または力感覚を提示することを特徴とする触力覚情報提示システム。
【請求項５】
請求項４に記載の触力覚情報提示システムにおいて、
前記スキン状偏心回転子アレイの制御態様を設定することにより、振動、力、せん断力、トルク、掌もしくは指もしくは他の提示対象物の全体をひねる合成トルク、３次元的抗力の提示に起因した３次元物体の形状感覚、弾力感覚、触覚感覚、掌もしくは指もしくは他の提示対象物上を力が伝わって行く感覚、掌もしくは指もしくは他の提示対象物上を物が転がっていく感覚、掌もしくは指もしくは他の提示対象物中を力、振動、トルクが通過していく感覚、仮想物体表面のテクスチャー、のいずれかを提示させることを特徴とする触力覚情報提示システム。
【請求項６】
３次元的に複数個配置した回転子を有する触力覚提示手段と、前記触力覚提示手段の合成角運動量ベクトルの時間変化を制御するための制御手段とを備えた触力覚情報提示システムであって、
前記制御手段は、前記合成角運動量ベクトルをゼロの近傍で急激に変化させることにより既定値のトルクを発生させると共に、プリセッショントルクを所定値以下に制御することを特徴とする触力覚情報提示システム。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の触力覚情報提示システムにおいて、
前記触力覚提示手段は、携帯型の通信機器もしくは可搬型の電子機器に搭載可能な形状であることを特徴とする触力覚情報提示システム。
【請求項８】
２つの偏心回転子を有する触力覚提示手段を制御するに際して、
前記２つの偏心回転子における回転方向と位相関係と回転速度とを制御することにより、振動および／または振動感覚の周波数と強度を独立して変化させることを特徴とする触力覚情報提示方法。
【請求項９】
２つの偏心回転子を有する触力覚提示手段を制御するに際して、
前記２つの偏心回転子における回転方向を反転させることにより、力および／または力感覚の周波数と強度を独立して変化させることを特徴とする触力覚情報提示方法。
【請求項１０】
単一の偏心回転子、および／または同一の回転軸上に配設された２つの偏心回転子からなるツイン偏心回転子、および／または３次元空間上に配置されたツイン偏心回転子を、２次元的または３次元的に複数個配置した偏心回転子アレイを有する触力覚提示手段を制御するに際して、
前記触力覚提示手段に含まれている各偏心回転子の回転状態を個別に制御することを特徴とする触力覚情報提示方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の触力覚情報提示方法において、
前記偏心回転子アレイを加工してスキン状偏心回転子アレイを形成し、空間的および時間的に変化する振動および／または振動感覚、トルクおよび／またはトルク感覚、力および／または力感覚を提示することを特徴とする触力覚情報提示方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の触力覚情報提示方法において、
前記スキン状偏心回転子アレイの制御態様を設定することにより、振動、力、せん断力、トルク、掌もしくは指もしくは他の提示対象物の全体をひねる合成トルク、３次元的抗力の提示に起因した３次元物体の形状感覚、弾力感覚、触覚感覚、掌もしくは指もしくは他の提示対象物上を力が伝わって行く感覚、掌もしくは指もしくは他の提示対象物上を物が転がっていく感覚、掌もしくは指もしくは他の提示対象物中を力、振動、トルクが通過していく感覚、仮想物体表面のテクスチャー、のいずれかを提示させることを特徴とする触力覚情報提示方法。
【請求項１３】
３次元的に複数個配置した回転子を有する触力覚提示手段を制御するに際して、前記触力覚提示手段の合成角運動量ベクトルの時間変化を制御する触力覚情報提示方法であって、
前記合成角運動量ベクトルをゼロの近傍で急激に変化させることにより既定値のトルクを発生させると共に、プリセッショントルクを所定値以下に制御することを特徴とする触力覚情報提示方法。
【請求項１４】
請求項１乃至７のいずれかに記載の触力覚情報提示システムにおいて、
前記触力覚提示手段は、偏心回転子を回転させる回転手段を含み、
前記制御手段は、前記触力覚提示手段に含まれている前記回転手段の回転状態を制御し、
前記回転手段は、回転させる偏心回転子と一体となって回転する
ことを特徴とする触力覚情報提示システム。
【請求項１５】
請求項１乃至７、又は１４のいずれかに記載の触力覚情報提示システムにおいて、
前記触力覚提示手段は、偏心回転子と一体となって回転するフィンと、該フィンを囲む流体とを含む
ことを特徴とする触力覚情報提示システム。
【請求項１６】
請求項１５に記載の触力覚情報提示システムにおいて、
前記流体は空気であり、
前記触力覚提示手段は、前記フィンと相対する外部への穴を有する
ことを特徴とする触力覚情報提示システム。
【請求項１７】
請求項１乃至７、又は１４、１５のいずれかに記載の触力覚情報提示システムにおいて、
外部情報を前記制御手段に入力する入力手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記入力手段から入力された外部情報に従って、前記触力覚提示手段に含まれている各偏心回転子の回転状態を制御する
ことを特徴とする触力覚情報提示システム。
【請求項１８】
請求項１７に記載の触力覚情報提示システムにおいて、
前記触力覚提示手段は、前記入力手段と前記制御手段とを含み、
前記触力覚提示手段自身が前記触力覚情報提示システムである
ことを特徴とする触力覚情報提示システム。
【請求項１９】
請求項１乃至７、又は１４乃至１８のいずれかに記載の触力覚情報提示システムにおいて、
偏心回転子に替えて圧電素子を使用し、
前記制御手段は、前記触力覚提示手段に含まれている各圧電素子の電圧を制御する
ことを特徴とする触力覚情報提示システム。
【請求項２０】
請求項１乃至７、又は１４乃至１８のいずれかに記載の触力覚情報提示システムにおいて、
偏心回転子に替えて磁石を使用し、
前記制御手段は、前記触力覚提示手段に含まれている各磁石の電圧を制御する
ことを特徴とする触力覚情報提示システム。
【請求項２１】
請求項１乃至７、又は１４乃至１８のいずれかに記載の触力覚情報提示システムにおいて、
２つの偏心回転子の質点が、同一回転軸の周りに同一面上で回転する
ことを特徴とする触力覚情報提示システム。
【請求項２２】
請求項１乃至７、又は１４乃至２１のいずれかに記載の触力覚情報提示システムの触力覚提示手段の機能を有することを特徴とする触力覚情報提示システムの触力覚提示機。
【請求項２３】
請求項１乃至７、又は１４乃至２１のいずれかに記載の触力覚情報提示システムの制御手段の機能を有することを特徴とする触力覚情報提示システムの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感覚特性を利用した触力覚情報提示システムおよび方法に関するものである。
【０００２】
さらに詳述すると本発明は、ＶＲ（Virtual Reality）の分野において用いられる機器，ゲームの分野において用いられる機器，携帯電話機，携帯型ナビゲーション機器，ＰＤＡ（携帯情報端末）などに搭載されるマンマシンインタフェースを提供するための触力覚情報提示システム、触力覚情報提示方法、触力覚情報提示システムの触力覚提示機、および触力覚情報提示システムの制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
従来のＶＲにおける力覚提示機としては、張力もしくは反力の力覚提示において、人間の感覚器官に接した力覚提示部と力覚提示システム本体とがワイヤーあるいはアームでつながっており、これらワイヤー・アームなどの存在が人間の動きを拘束するという不都合がみられた。また、力覚提示システム本体と力覚提示部がワイヤーやアームでつながる有効空間でしか使用できないことに起因して、使用できる空間的広がりに制限があった。
【０００４】
これに対して、非接地型で身体内にベースがないマンマシンインタフェースが提案された。しかし、この種の提示機ではモータの回転速度（角速度）を制御することにより角運動量ベクトルの時間的な変化でトルクを提示しており、同一方向にトルク、および力などの触力覚情報を連続的に提示することは困難であった。
【０００５】
非接地型の力覚情報提示機としては、ジャイロモーメントとジンバル構造を用いたトルク提示装置が開発されている（非特許文献１）。しかし、ジンバル構造では提示できるトルク方向が制限されており、また、構造が複雑になり制御が煩雑となるという問題点も有している。
【０００６】
一方、３軸直交座標に配置された３つのジャイロモータの回転を独立に制御することで任意の方向、乃至任意の大きさでトルクを提示することができる非接地可搬型の力覚情報提示機（非特許文献２）が提案されている。この力覚情報提示機では、３つのジャイロモータによって発生された角運動量合成ベクトルを制御することでトルクを発生させているので、構造が比較的簡単であり、制御も容易である。しかし、触力覚情報を連続的に提示可能にすること、および、トルク以外の力感覚を提示可能にすることが解決すべき点となっている。
【０００７】
【非特許文献１】吉江将之，矢野博明，岩田洋夫  「ジャイロモーメントを用いた非接地型力覚提示装置の開発」、ヒューマンインタフェース学会研究報告集、vol.3, No.5,pp. 25-30 (2000)
【非特許文献２】田中洋吉，酒井勝隆，河野優香，福井幸男，山下樹里，中村則雄  “Mobile Torque Display and Haptic Characteristics of Human Palm”,INTERNATIONAL CONFERENCE ON ARTIFICIAL REALITY AND TELEXISTENCE, pp.115-120 (2001/12)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の点に鑑み、本発明の第１の目的は、人に仮想物体の存在や衝突の衝撃力を与える従来の非接地型で身体内にベースがないマンマシンインタフェースにおいて、人間の感覚特性を利用した触力覚情報提示機構を実現することで、触力覚提示機の物理的特性だけでは提示し得ない、同一方向に振動・トルク・力などの触力覚情報を連続的に提示できる触力覚情報提示システムおよび方法を提供することにある。
【０００９】
また、上記マンマシンインタフェースで連続的に物理量を提示し続ける時、提示機の性能が十分に大きければ、連続して同一方向にトルク、乃至力などの物理量を提示し続けることができる。しかし、現実的には提示機の性能は無限大ではなく、提示機の性能が十分でない場合は、例えば、連続的にトルクを提示し続ける時、提示の１サイクルの中で回転子の回転速度を初期状態に戻す必要が出てくる。つまり、回転子の角運動量ベクトルの積分値をゼロにすることが求められる。この場合、正反対のトルクまたは力を提示することになり、正方向と負方向の感覚が互いに打ち消し合うという問題が生じる。
【００１０】
よって、本発明の第２の目的は、人間の感覚特性を利用して、触力覚提示機の動作において、たとえ物理的に１サイクルで初期状態に戻り、物理的な積分値がゼロになったとしても、感覚量の感覚的積分値がゼロにはならず、任意の方向に自在に感覚を提示し続けることのできる触力覚情報提示システムおよび方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明に係る第１の形態は、２つの偏心回転子を有する触力覚提示手段と、前記２つの偏心回転子における回転方向と位相関係と回転速度とを制御することにより、振動および／または振動感覚の周波数と強度を独立して変化させる制御手段とを備えた触力覚情報提示システムである。
【００１２】
本発明に係る第２の形態は、２つの偏心回転子を有する触力覚提示手段と、前記２つの偏心回転子における回転方向を反転させることにより、力および／または力感覚の周波数と強度を独立して変化させる制御手段とを備えた触力覚情報提示システムである。
【００１３】
本発明に係る第３の形態は、単一の偏心回転子、および／または２つの偏心回転子からなるツイン偏心回転子、および／または３次元空間上に配置されたツイン偏心回転子を、２次元的または３次元的に複数個配置した偏心回転子アレイを有する触力覚提示手段と、前記触力覚提示手段に含まれている各偏心回転子の回転状態を制御する制御手段とを備えた触力覚情報提示システムである。
【００１４】
本発明に係る第４の形態は、３次元的に複数個配置した回転子を有する触力覚提示手段と、前記触力覚提示手段の合成角運動量ベクトルの時間変化を制御するための制御手段を備えた触力覚情報提示システムであって、前記制御手段は、前記合成角運動量ベクトルをゼロの近傍で急激に変化させることにより既定値のトルクを発生させると共に、プリセッショントルクを所定値以下に制御する触力覚情報提示システムである。
【００１５】
本発明に係る第５の形態は、２つの偏心回転子を有する触力覚提示手段を制御するに際して、前記２つの偏心回転子における回転方向と位相関係と回転速度とを制御することにより、振動および／または振動感覚の周波数と強度を独立して変化させる触力覚情報提示方法である。
【００１６】
本発明に係る第６の形態は、２つの偏心回転子を有する触力覚提示手段を制御するに際して、前記２つの偏心回転子における回転方向を反転させることにより、力および／または力感覚の周波数と強度を独立して変化させる触力覚情報提示方法である。
【００１７】
本発明に係る第７の形態は、単一の偏心回転子、および／または同一の回転軸上に配設された２つの偏心回転子からなるツイン偏心回転子、および／または３次元空間上に配置されたツイン偏心回転子を、２次元的または３次元的に複数個配置した偏心回転子アレイを有する触力覚提示手段を制御するに際して、前記触力覚提示手段に含まれている各偏心回転子の回転状態を個別に制御する触力覚情報提示方法である。
【００１８】
本発明に係る第８の形態は、３次元的に複数個配置した回転子を有する触力覚提示手段を制御するに際して、前記触力覚提示手段の合成角運動量ベクトルの時間変化を制御する触力覚情報提示方法であって、前記合成角運動量ベクトルをゼロの近傍で急激に変化させることにより既定値のトルクを発生させると共に、プリセッショントルクを所定値以下に制御する触力覚情報提示方法である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る触力覚情報提示システムおよび触力覚情報提示方法を実施することにより、以下に列挙する格別な効果を得ることができる。
【００２０】
（１）非接地型で身体内にベースがないマンマシンインタフェースでは従来困難だった、トルクおよび力などの触力覚情報を同一方向に連続的または断続的
に提示することが可能になる。
【００２１】
（２）人間の感覚特性および錯覚を利用することにより、物理的には存在し得ないトルクあるいは力などの触力覚的感覚物理特性を人に提示することが可能になる。
【００２２】
（３）人間の感覚特性を利用することにより触力覚情報を省エネルギーで効率良く提示することが可能となり、小型化した触力覚提示システムを実現することができる。
【００２３】
（４）振動感覚，トルク感覚，力感覚を提示するために、従来はそれぞれに対応した装置が必要であったが、本発明によれば、偏心回転子という１つの機構で振動感覚，トルク感覚，力感覚のいずれか１つ以上を同時に提示することが可能となり、多様な触力覚情報を提示することができ、且つ、その提示システムを小型化することができる。
【００２４】
（５）本発明を実施することにより、ＶＲ（Virtual Reality）の分野において用いられる機器，ゲームの分野において用いられる機器，携帯電話機，携帯型ナビゲーション機器，ＰＤＡ（携帯情報端末）などに搭載され得る、有用なマンマシンインタフェース・ロボットとマシンとの間のインタフェース・動物とマシンとの間のインタフェース等を実現することができる。例えばＶＲの分野においては、上記マンマシンインタフェースを介して人に力を提示したり、抗力あるいは反力などを与えて人の動きを制限することにより、仮想空間における物体の存在や衝突による衝撃を提示することができる。また、携帯電話機，携帯型ナビゲーション機器，ＰＤＡなどに上記インタフェースを搭載することにより、操作者の皮膚を介して、従来には見られなかった各種多様な指示・案内等を実現することができる。
【００２５】
（６）従来から知られている携帯電話のマナーモードなどで用いられている偏心回転子は、回転速度を増加させることで振動強度を増加させており、振動周波数と振動強度を独立に制御することはできなかったが、本発明を適用した偏心回転子では、回転速度を変化させることなしに、偏心振動の振動強度を変化させることができる。これによって、振動周波数と振動強度を独立に制御することが可能になる。
【００２６】
（７）本発明を適用したシート状偏心回転子アレイによれば、それぞれの偏心回転子の回転を適切に制御することで掌上に空間・時間的に様々なパターンの、振動感覚、トルク感覚、力感覚を提示することができる。また、シート状偏心回転子アレイは、手袋もしくは衣類もしくはその他ウェアラブルな形態を有するものに応用することができる。
【００２７】
（８）本発明を適用したシート状偏心回転子アレイによれば、掌などの動きに合わせて力感覚の空間部分を適切に変化させることにより、仮想的な物体の存在、形状、弾性、テクスチャーなどの物体に関する様々な触力覚情報を提示することができる。
【００２８】
（９）慣性座標系において、合成角運動量ベクトルの時間変化を制御する場合、その制御の容易さは大きな利点となる。すなわち、合成角運動量ベクトルをゼロの近傍で急激に変化させることによって、大きなトルクを発生させながらも、プリセッション・トルクを小さく抑え込むことが可能になる。また、ユーザの動きに伴ってトルク提示機が揺れて困る場合には、適度な大きさの合成角運動量ベクトルの近傍で合成角運動量ベクトルを時間変化させることにより、トルク提示機の揺れを抑えながら所定のトルクを提示することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明による実施の形態を図面に基づいて説明する。  
【００３０】
（動作原理１）
図１は、本発明の一実施形態における触力覚情報提示システムの概略構成を示す図である。
【００３１】
触力覚提示機１１２は、制御装置１１１を用いて、触力覚提示機１１２中の１個以上からなる回転子の回転速度が制御され、その物理特性である振動、力、トルクが制御されることによって、ユーザ１１０にその振動、力、トルクなどの様々な触力覚情報を知覚させる。
【００３２】
上述の図１と合わせて、以下では図２〜４０を参照し本実施形態の触力覚情報提示システムを説明するが、それに先立ち、図面として最後に添付されている図４１の本実施形態の触力覚情報提示システムのブロック図を参照して、そのシステムのブロック構成の概要を説明する。
【００３３】
図４１において、触力覚情報提示システム４１０１は、触力覚提示機４１１０、制御装置４１２０及び入力装置４１３０から構成される。触力覚提示機４１１０は、中にモータによって回転される１個以上の回転子４１８０を有し、制御装置４１２０からの制御によって回転する。回転子４１８０の駆動には、ステッピングモータやサーボモータ等を適用可能である。制御装置４１２０は、ＣＰＵ（central processing unit）４１６０、ＲＡＭ（random access memory）４１７０、ＲＯＭ（read only memory）４１４０等を有する。
【００３４】
ＣＰＵ４１６０は、制御装置４１２０の動作全体を司る。ＲＡＭ４１７０は、ＣＰＵ４１６０が処理を行う際の処理対象のデータ等を一時記憶するワークエリアとして使用される。ＲＯＭ４１４０は、制御プログラム４１５０が予め格納されている。制御プログラム４１５０は、入力装置４１３０からの入力信号対応した触力覚提示機４１１０の制御処理を規定したプログラムである。ＣＰＵ４１６０は、ＲＯＭ４１４０から制御プログラム４１５０を読み出し実行することにより、各入力信号に対応して触力覚提示機４１１０の回転子４１８０の制御を行う。
【００３５】
入力装置４１３０は、例えば、入力メニューのセレクトボタン等である。ＣＰＵ４１６０は、押下若しくはタッチ等によって選択されたセレクトボタンの入力に対応した処理（例えば、所定の回転の向きのトルクが発生するように触力覚提示機４１１０を制御）を行う。このような入力装置４１３０は、制御装置４１２０と一体化した制御装置４１２０の一部としてもよい。
【００３６】
或いは、入力装置４１３０は、後述される筋電を検知するための周知の筋電検知器や周知の角加速度センサ等のデバイスである。ＣＰＵ４１６０は、筋電検知器からの筋電発生のトリガ信号や角加速度センサからの角加速度の信号が制御装置４１２０へ入力されると、その入力をフィードバッグした触力覚提示機４１１０の制御を行う。角加速度センサのような入力装置４１３０は、触力覚提示機４１１０と共に触力覚提示機４１１０内部に含まれる構成としてもよい。
【００３７】
ＣＰＵ４１６０がＲＯＭ４１４０から制御プログラム４１５０を読み出し実行することにより、各入力信号に対応して触力覚提示機４１１０の回転子４１８０の制御を行う一般的な処理方法については、当業者においては非特許文献１、２及びその他によって周知なため、詳述は要しないであろう。従って以下では、本実施形態に特徴的な、触力覚情報提示システムにおける制御装置の処理方式及び触力覚提示機の構造について説明する。
【００３８】
図２および図３は、力覚に関する感覚特性を用いた、触力覚情報提示システムの制御装置によって触力覚提示機を制御する、触力覚情報提示方法を示す図である。
【００３９】
感覚特性２１１は主に刺激である物理量２１２に対してその感覚量２１３は対数などの非線形特性である場合が多い。図２−１は感覚特性２１１が対数関数的な特性の場合を模式化したものである。この感覚特性２１１上の、動作点Ａ２１４で正のトルクを発生し、動作点Ｂ２１５で逆方向の負のトルクを発生した場合を考えると、トルク感覚２２４は図２−２のように表わされる。トルク２２３は回転子の回転速度（角速度）２２２の時間微分に比例する。動作点Ａ２１４、および動作点Ｂ２１５で動作させると、トルク感覚２２４が知覚される。トルク２２３は、物理的に１サイクルで初期状態２２８に戻り、その積分値はゼロとなっている。しかし、感覚量であるトルク感覚２２４の感覚的積分値はゼロになるとは限らない。動作点Ａ２１４および動作点Ｂ２１５を適切に選択して、動作点Ａ継続時間２２５および動作点Ｂ継続時間２２６を適切に設定することで、任意の方向に自在にトルク感覚を提示し続けることができる。
【００４０】
以上のことは、感覚特性２１１が指数関数的な場合などの非線形特性を示す時にも成立する。
【００４１】
図３に示した（図３−１）は、感覚特性２３１が閾値を持つ場合を模式化したものである。この感覚特性２３１上の、動作点Ａ２３４で正のトルクを発生し、動作点Ｂ２３５で逆方向の負のトルクを発生した場合を考えると、トルク感覚２４４は（図３−２）のように表わされる。
【００４２】
上記の（図２−１）および（図２−２）で示された感覚特性が非線形であった場合と同じように、トルク２４３は、物理的に１サイクルで初期状態２４８に戻り、その積分値はゼロとなっている。しかし、感覚量であるトルク感覚２４４は、動作点Ｂ継続時間２４６の区間で感覚閾値以下なのでゼロとなる。その結果、片方の方向のみにトルク感覚を間欠的に提示し続けることができる。
【００４３】
図４中の（図４−１）〜（図４−３）は、力覚に関するヒステリシス的感覚特性を用いた触力覚情報提示方法を示す図である。
【００４４】
感覚特性は、筋肉を伸ばす時と縮める時など、変位３１２が増加する時と減少する時において等方的でなく、ヒステリシス的感覚特性３１１を示す場合が多い。（図４−１）のヒステリシス的感覚特性３１１は感覚特性のヒステリシス的な特性を模式化したものである。このヒステリシス的感覚特性３１１上の、動作経路Ａ３１４で正のトルクを発生し、動作経路Ｂ３１５で逆方向の負のトルクを発生した場合を考えると、これらの挙動は（図４−２）のように表わされ、トルク感覚３３４は（図４−３）のように表わされる。トルク３３３は回転子の回転速度３３２の時間微分に比例する。動作経路Ａ３１４、および動作経路Ｂ３１５で動作させると、トルク感覚３３４が知覚される。トルク３３３は、物理的に１サイクルで初期状態３３８に戻り、その積分値はゼロとなっている。しかし、感覚量であるトルク感覚３３４の感覚的積分値はゼロになるとは限らない。動作経路Ａ３１４および動作経路Ｂ３１５を適切に選択して、動作経路Ａ継続時間３３５および動作経路Ｂ継続時間３３６を適切に設定することで、任意の方向に強いトルク感覚を断続的に連続して提示し続けることができる。
【００４５】
図５および図６は、感覚特性を変化させる方法の一例として、力覚に関するマスキング効果によって感覚特性を変化させる方法を用いた触力覚情報提示方法を示す図である。
【００４６】
感覚特性は、マスキング振動によってマスキングされトルク感覚４３４が減少する。このマスキング方法として、（視覚、聴覚のマスキングで実績のある）同時マスキング４２４、前方マスキング４２５、後方マスキング４２６があげられる。図５の（図５−１）はマスキーであるトルク４１３を模式化したものであり、この時知覚されるトルク感覚４３４は（図５−３）のように表わされる。トルク４１３は回転子の回転速度４１２の時間微分に比例する。
【００４７】
この時、回転子の回転速度４１２を初期化する初期化時間４１５と、それに対応したマスキング継続時間４２５を、図６に示した（図６−１）の初期化時間４４５とマスキング継続時間４５５のように短縮していき、ある一定時間よりも短くなると初期化による負のトルクが物理的に存在するにも関わらず、トルク感覚４６４のようにトルクが連続して提示されているように感じられる臨界融合が生じる。
【００４８】
なお、マスキング振動を発生するマスカーは、それによってトルクがマスクされるマスキーである回転子と別な回転子であっても、マスキーである回転子自身であってもよい。  マスキーの回転子がマスカーでもある場合とは、マスキング時にその回転子が制御装置によってマスキング振動を発生するように制御されることを意味する。マスカーの振動方向は、マスキーの回転子の回転方向と同一であっても、あるいは同一でなくてもよい。
【００４９】
以上のことは、マスキーとマスカーが同一の刺激の場合（マスキーの回転子がマスカーでもある場合）にも起こり得る。図７は、この場合を模式化した図である。図７に示すように、強トルク感覚４８５、４８６の前後において、前方マスキング４８５、後方マスキング４８６によりトルク感覚４８４が減少する。
【００５０】
図８は、力覚に関する感覚特性の変化に合わせて触力覚情報提示を制御する方法を用いた触力覚情報提示方法を示す図である。
【００５１】
感覚特性は、筋肉の緊張状態、あるいは、身体的・生理的・心理的状態のいずれか１つ以上の状態によりトルク感覚５１７の感度が変化する。例えば、筋肉が外力である提示トルク５１４（短い時間で強いトルク５２４）で瞬時に伸ばされることで、筋肉の中の筋紡錘というセンサがこれを感知し、この外力に負けないパワーを持つ筋肉起因トルク５１５（筋肉反射起因トルク５２５）で条件反射的に筋肉が素早く収縮する。このとき筋電５１１が発生する。それを検知した制御回路５１２は触力覚提示機５１３を制御して、筋肉の収縮に同期して提示トルク５１６（穏やかに中程度のトルク５２６）を働かせることでトルク感覚５１７の感度を変化させる。
【００５２】
以上のことは、筋肉の緊張状態だけに限らず、呼吸・姿勢・神経発火の状態のいずれか１つ以上の状態による感覚感度の変化の場合にも成立する。
【００５３】
図９は、力覚に関する掌の方向に対する提示物理量と感覚量との関係によって提示物理量を補正する方法を用いた触力覚情報提示方法を示す。掌は、その骨格・関節・腱・筋肉などの解剖学的な構造から、掌の方向によって感度が異なる。掌の方向に依存した感度（不等方性感度曲線６１１）に合わせて提示物理量の強度（回転速度ω６１２）を補正することによって、精度良い方向提示が可能となる。
【００５４】
図１０は、本実施形態の触力覚提示機中の回転子に適用可能な偏心回転子の説明図で、力覚に関する感覚特性を用い、偏心回転子７１１の回転を（図１０−２のように）位相同期させた触力覚情報提示方法を示す図である。
【００５５】
図１０中の（図１０−３）は、感覚特性７３１が対数関数的な特性の場合を模式化したものであり、感覚特性７３１は感覚特性２１１と同様に刺激である物理量７３２に対してその感覚量７３３が対数などの非線形特性であることを示している。この感覚特性７３１上の、動作点Ａ７３４で正のトルクを発生し（偏心回転子７１１の偏心により振動も発生
）、動作点Ｂ７３５で逆方向の負のトルクを発生した場合を考えると、トルク感覚７４４は図１０−４のように表わされる。トルク７４３は回転子の回転速度７４２の時間微分に比例する。動作点Ａ７３４、および動作点Ｂ７３５で動作させると、トルク感覚７４４が知覚される。トルク７４３は、物理的に１サイクルで初期状態７４８に戻り、その積分値はゼロとなっている。しかし、感覚量であるトルク感覚７４４の感覚的積分値はゼロになるとは限らない。動作点Ａ７３４および動作点Ｂ７３５を適切に選択して、動作点Ａ継続時間７４５および動作点Ｂ継続時間７４６を適切に設定することで、任意の方向に自在にトルク感覚を提示し続けることができる。
【００５６】
以上のことは、感覚特性７３１が指数関数的な場合などの非線形特性を示す時にも成立する。（図１０−３）の感覚特性７３１が（図３−１）の感覚特性２３１のように閾値を持つ場合も、（図３−２）と同様のトルク感覚が生じ、片方の方向のみにトルク感覚を間欠的に提示し続けることができる。
【００５７】
図１１は、本実施形態の触力覚提示機中の回転子に適用可能な偏心回転子の説明図で、２つの偏心回転子Ａ８１２および偏心回転子Ｂ８１３の回転の方向および位相を適切に同期させることによって、振動感覚・トルク感覚・力感覚の触力覚情報提示方法を示す図である。
【００５８】
図１１中の（図１１−２）は、（図１１−１）の２つの偏心回転子Ａ８１２および偏心回転子Ｂ８１３を同方向で同期回転させた場合を模式化したものである。この同期回転の結果、偏心回転が合成される。（図１１−３）は、（図１１−１）の２つの偏心回転子Ａ８１２および偏心回転子Ｂ８１３を同方向で１８０度位相が遅れて同期回転させた場合を模式化したものである。この同期回転の結果、偏心のないトルク回転を合成することができる。
【００５９】
また（図１１−４）は、（図１１−１）の２つの偏心回転子Ａ８１２および偏心回転子Ｂ８１３を反対方向に同期回転させた場合を模式化したものである。この反対方向の同期回転の結果、任意の方向に直線的に単振動する力を合成することができる。
【００６０】
図１２中の（図１２−１）は、（図１１−２）における２つの偏心回転子Ａ８２２および偏心回転子Ｂ８２３の回転の方向および位相を適切に同期させることによって、偏心振動の振動強度を変化させる方法を示す図である。２つの偏心回転子Ａ８２２および偏心回転子Ｂ８２３の回転の位相差（例えば、位相差0°８５１、位相差90°８５２、位相差180°８５３）を調整して、２つの偏心回転子合成重心（８５４、８５５、８５６）、および回転子の回転中心と合成重心との重心モーメント長（８５７、８５８、８５９）を適切に変化させることによって、偏心回転子（８２２、８２３）の回転速度を変化させることなしに、偏心振動の振動強度を変化させることができる。これによって、振動周波数と振動強度を独立に制御することができる。
【００６１】
これに対して、携帯電話のマナーモードなどで用いられている偏心回転子は、回転速度を増加させることで振動強度を増加させており、振動周波数と振動強度を独立に制御することはできない。
【００６２】
また（図１２−２）は、（図１１−４）における２つの偏心回転子Ａ８４２および偏心回転子Ｂ８４３の回転の方向を適切に反転させることによって、力および／または力感覚の強弱、振動および／または振動感覚の強度を変化させる方法を示す図である。２つの偏心回転子Ａ８４２および偏心回転子Ｂ８４３の適切な位相（例えば、位相0°８６１、位相45°８６２、位相90°８６３、位相135°８６４、位相180°８６５）において回転方向を反転させることによって、振動の振幅（８６６、８６７）を適切に変化させることにより、偏心回転子（８４２、８４３）の回転速度を変化させることなしに、力、および／または力感覚の強度を可変にすることができる。これによって、力、および／または力感覚の周波数と強度とを独立して制御することができる。
【００６３】
図１１−１〜図１２−２における説明では２つ偏心回転子の回転軸は同一軸上に表現されているが、特に同一軸上にある必然性はなく、同一軸上も含め回転軸が平行してさえすればよい。
【００６４】
図１３は、２つの偏心回転子Ａ８１２および偏心回転子Ｂ８１３を１組として、その３組を直交座標系に配置した触力覚提示機１３０１を示す図である。図中符号１３１０は偏心回転子、１３１１はそれを駆動するモータである。このように複数個の偏心回転子を３次元空間的に配置することによって、（図１１−２）〜（図１１−４）で示された振動感覚、トルク感覚、力感覚を任意の３次元方向に提示することができる。上記の直交座標系の配置は、３次元方向に提示するための一例である。
【００６５】
（応用例１）  
図１４は、（図１０−１）の偏心回転子７１１、（図１１−１）のツイン偏心回転子８１１、図１３の３次元空間配置されたツイン偏心回転子のいずれかをシート状に２次元平面的に配置したシート状偏心回転子アレイ８８０を示す図である。ツイン偏心回転子の駆動部分の実施方法は、分子モータや圧電素子などでもよく、目的の物理量を提示できるものならばどんなものでも構わない。
【００６６】
図１５は、本シート状偏心回転子アレイ８８０を手袋状に加工した手袋状偏心回転子アレイ８９０を示す図である。それぞれの偏心回転子の回転を適切に制御することで掌上に空間・時間的に様々なパターンの、振動感覚、トルク感覚、力感覚を提示することができる。
【００６７】
なお、上記のシート状偏心回転子アレイ８８０および手袋状偏心回転子アレイ８９０は実施形態の一例に過ぎず、偏心回転子アレイが３次元的に配置された場合を含め衣類やウェアラブルな触力覚情報提示などにも応用することができる。
【００６８】
図１６は、力覚に関する感覚特性を用い、２つの偏心回転子Ａ９１２および偏心回転子Ｂ９１３の回転を位相同期させた触力覚情報提示方法を示す図である。
【００６９】
ここで、（図１６−２）は、（図１６−１）の２つの偏心回転子Ａ９１２および偏心回転子Ｂ９１３を同方向で１８０度位相が遅れて同期回転させた場合を模式化したものである。この同期回転の結果、偏心のないトルク回転を合成することができる。
【００７０】
（図１６−３）は感覚特性９３１が対数関数的な特性の場合を模式化したものであり、感覚特性９３１は感覚特性２１１と同様に刺激である物理量９３２に対してその感覚量９３３が対数などの非線形特性であることを示している。この感覚特性９３１上の、動作点Ａ９３４で正のトルクを発生し、動作点Ｂ９３５で逆方向の負のトルクを発生した場合を考えると、トルク感覚９４４は（図１６−４）のように表わされる。トルク９４３は回転子の回転速度９４２の時間微分に比例する。動作点Ａ９３４、および動作点Ｂ９３５で動作させると、トルク感覚９４４が知覚される。
【００７１】
トルク９４３は、物理的に１サイクルで初期状態９４８に戻り、その積分値はゼロとなっている。しかし、感覚量であるトルク感覚９４４の感覚的積分値はゼロになるとは限らない。動作点Ａ９３４および動作点Ｂ９３５を適切に選択して、動作点Ａ継続時間９４５および動作点Ｂ継続時間９４６を適切に設定することで、任意の方向に自在にトルク感覚を提示し続けることができる。
【００７２】
以上のことは、感覚特性９３１が指数関数的な場合などの非線形特性を示す時にも成立する。（図１６−３）の感覚特性９３１が（図３−１）の感覚特性２３１のように閾値を持つ場合も、（図３−２）と同様のトルク感覚が生じ、片方の方向のみにトルク感覚を間欠的に提示し続けることができる。
【００７３】
図１７は、力覚に関する感覚特性を用い、２つの偏心回転子Ａ１０１２および偏心回転子Ｂ１０１３の回転を反対方向に位相同期させた触力覚情報提示方法を示す図である。
【００７４】
図１７中の（図１７−２）は、（図１７−１）の２つの偏心回転子Ａ１０１２および偏心回転子Ｂ１０１３を反対方向に同期回転させた場合を模式化したものである。この反対方向の同期回転の結果、任意の方向に直線的に単振動する力を合成することができる。（図１７−３）は感覚特性１０３１が対数関数的な特性の場合を模式化したものであり、感覚特性１０３１は感覚特性２１１と同様に刺激である物理量１０３２に対してその感覚量１０３３が対数などの非線形特性であることを示している。この感覚特性１０３１上の、動作点Ａ１０３４で正の力を発生し、動作点Ｂ１０３５で逆方向の負の力を発生した場合を考えると、力感覚１０４４は（図１７−４）のように表わされる。２つの偏心回転子の合成回転速度の大きさ１０４２は偏心回転子Ａ１０１２および偏心回転子Ｂ１０１３の回転速度の合成であり、力１０４３は２つの偏心回転子の合成回転速度の大きさ１０４２の時間微分に比例する。動作点Ａ１０３４、および動作点Ｂ１０３５で動作させると、力感覚１０４４が知覚される。力１０４３は、物理的に１サイクルで初期状態１０４８に戻り、その積分値はゼロとなっている。しかし、感覚量である力感覚１０４４の感覚的積分値はゼロになるとは限らない。動作点Ａ１０３４および動作点Ｂ１０３５を適切に選択して、動作点Ａ継続時間１０４５および動作点Ｂ継続時間１０４６を適切に設定し、２つの偏心回転子Ａ１０１２および偏心回転子Ｂ１０１３の同期位相を調整することで、任意の方向に自在に力感覚を提示し続けることができる。
【００７５】
以上のことは、感覚特性１０３１が指数関数的な場合などの非線形特性を示す時にも成立する。（図１７−３）の感覚特性１０３１が（図３−１）の感覚特性２３１のように閾値を持つ場合も、（図３−２）と同様な力感覚が生じ、片方の方向のみに力感覚を間欠的に提示し続けることができる。
【００７６】
図１８は、図１７で示された２つの偏心回転子を用いた力感覚の提示方法を用いて、自分で押す感覚（図１８−１）、膨張感（図１８−２）、圧迫感（図１８−３）、自分で引っ張る感覚（図１８−４）、外部から引っ張られる感覚（図１８−５）、外部から押される感覚（図１８−６）を提示する方法を模式化した図である。
【００７７】
自分で押す感覚（図１８−１）は、掌の裏と表に、ツイン偏心回転子１１１１およびツイン偏心回転子１１１２を用いて、それぞれ力１１１３および力１１１４を提示することによって、自分で掌の表によって物体を押したような感覚を提示することができる。
【００７８】
膨張感（図１８−２）、圧迫感（図１８−３）、自分で引っ張る感覚（図１８−４）、外部から引っ張られる感覚（図１８−５）、外部から押される感覚（図１８−６）についても同様に提示することができる。
【００７９】
図１９は、手袋状偏心回転子アレイ１１７０の１１７１上のそれぞれのツイン偏心回転子１１７２の回転を適切に制御することで、掌および指先などに、力１１７３、せん断力１１７４、トルク１１７５を提示する方法を示す図である。
【００８０】
また、図２０のように、指に巻かれたスキン状偏心回転子アレイ１１８１上で同一方向にトルクを提示することで、指全体をひねる合成トルク１１８５を提示することができる。
【００８１】
さらに、図２１のように、掌に提示する抗力１１９３の空間的な強度分布を適切に調整することで、球状抗力１１９１や立方体状抗力１１９２などを提示することによって、掌に球や立方体などの３次元形状感覚、あるいは弾力感覚およびプニョプニョ感などの触覚感覚を提示することができる。
【００８２】
さらに、図２２のように、掌に提示する抗力１１９３の空間的な強度分布を時間的に変化させることによって、力が掌上を伝わって行く感覚１１９５、物が掌上を転がっていく感覚、力が掌を通過していく力感覚１１９６を提示することができる。同様に、せん断力、トルクなどを変化させることによって、表面粗さなどの仮想物体表面のテクスチャーを提示することができる。
【００８３】
図１９〜図２２に示した以上の提示方法によれば、掌の動きに合わせて力感覚の空間分布を適切に変化させることによって、仮想的な物体の存在、形状、弾性、テクスチャーなどの物体に関する様々な触力覚情報を提示することができる。
【００８４】
（動作原理２）  
図２３は、任意方向に振動感覚・力感覚・トルク感覚のいずれか１つ以上の触力覚情報を、連続的、断続的に提示する制御方法の１例として、力覚に関するマスキング効果によって感覚特性を変化させる方法を用いて、任意の方向に振動触力覚情報提示方法を示す図である。
【００８５】
感覚特性は、マスキング振動１２１６によってマスキングされ力感覚１２２４が減少する。このマスキング振動は、（図１７−２）において偏心回転子Ａの回転速度１０２２および偏心回転子Ａの回転速度１０２３を同期させて速度を振動されることによって発生させることができる。（図２３−１）はこれを模式化したものであり、この時知覚される力感覚１２２４は（図２３−２）のように表わされる。力１２１３は２つの偏心回転子の合成回転速度の大きさ１２１２の時間微分に比例する。
【００８６】
この時、回転子の回転速度１２１２を初期化する初期化時間１２１５を短縮していき、図２３−３のようにある一定時間よりも短くなると初期化による負の力が物理的に存在するにも関わらず、力感覚１２４４のように力が連続して提示されているように感じられる臨界融合が生じる。
【００８７】
以上のことは、マスキーとマスカーが異なる回転子による場合にも生じるし、また、力だけでなくトルクの場合にも同様な連続提示感覚が生じる。
【００８８】
上記触力覚情報提示システムの実際の利用においては、人の何気ない動作によるトルク提示機の姿勢変化が、コリオリ力やジャイロ効果による慣性力として感じられてしまうため、回転子自身の慣性力を極力抑えた上で大きなトルクも提示できる必要がある。以下では、この慣性力について検討する。
【００８９】
トルク感覚を発生させる方法として、慣性モーメントを持った回転体の回転速度を加速・減速する方法と、回転体をその回転軸と直交する軸周りに回転させる方法がある。機構学的見地から以下の回転子姿勢制御型（以下、ジャイロ型１３１１と呼ぶ）と、合成角運動量ベクトル微分型１３１２の２つに大きく分類される（図２４）。
【００９０】
まず、ジャイロスコープを用いた回転子の姿勢を制御するジャイロ型１３１１を説明する。ジンバル構造を用いて一定角速度ω0で回転する回転子の姿勢を２つのジンバル軸周りの回転角θ1、θ2を変化させてトルクを発生させることができる。慣性モーメントIの回転体を角速度ω0で回転させた時の角運動量Ｌ0は、
Ｌ0  = I ω0
【００９１】
と表わされる。このとき、トルクが発生する方向を考慮して、大きさ一定の角運動量ベクトルＬ（｜L｜＝Ｌ0）を角速度ωで回転させたときのトルクベクトルτは、
τ = ω ×Ｌ 、ここでω=ｄ θ／ｄ ｔ
で表わされる。
【００９２】
次に、合成角運動量ベクトルの時間変化を制御する合成角運動量ベクトル微分型１３１
２を説明する。ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に固定された３つの回転子の回転数ωx、ωy、ωzを独立に制御して、それぞれの回転子の角運動量を合成することで任意のに角運動量ベクトルを作り出すことができる。これを適切に制御すれば任意の方向にトルクを作り出すことができる。角運動量ベクトルＬを変化させた時のトルクベクトルは以下のように表される。
【００９３】
各ｘ、ｙ、ｚ軸周りに角速度ωｉで回転する角運動量Ｌｉは、各軸周りの慣性モーメントをIｉとすると、
Ｌｉ = Iｉ ωｉ、ｉ= x, y, z
【００９４】
と表わされる。これらの各軸周りの角運動量から構成される合成角運動量ベクトルは、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の基本ベクトルをｉ、j、ｋとすると、
Ｌ=Ｌxｉ＋Ｌyj＋Ｌzｋ
と表わされる。この合成角運動量ベクトルの時間微分がトルクベクトルτである。
τ=ｄ L／ｄ ｔ
したがって、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の角速度の比ωx：ωy：ωzを変えることで任意の方向に角運動量ベクトルの発生方向を制御することができる。本手法は制御が容易であり、変化に富んだ３次元力覚感覚を提示できる利点がある。なお、人が感じるトルクは、作用・反作用の法則により、このトルクベクトルτと同じ大きさで反対方向である。
【００９５】
図２５を参照すると、
【００９６】
ここで、｜L｜＝Ｌ0  で一定とし、合成角運動量ベクトルＬの向きがω=ｄΩ／ｄｔで回転する場合、
τ=ｄ L／ｄ ｔ
=ω×Ｌ
となり、ジャイロ型と一致する。このことは、ジャイロ型で提示可能なトルクは本提案方
式によって提示できるが、その逆は非であることを示している。
【００９７】
いま、所謂ヒトナビでの利用を考えた場合、ユーザの姿勢の動きが角運動量ベクトルの
変化を生じ、意図しないトルクが提示される可能性がある。そこで、慣性座標系Oに対して角速度ベクトルΩで回転する回転座標系OΩ上で回転する合成角運動量ベクトルＬによって発生するトルクについて考察する。
慣性座標系O１３３０および回転座標系OΩ１３３１における運動方程式は、
τ =   [ｄ L／ｄ ｔ] O
=  [ｄ L／ｄ ｔ] OΩ + Ω×Ｌ
と表わされる。図２５に示すように、回転する人の掌上の合成角運動量ベクトル１３３２
の時間変化によって人が感じられるトルクは、回転座標系OΩ１３３１において合成角運動量ベクトル１３３２の時間変化によるトルク[ｄL／ｄｔ] OΩ 、および、プリセッション・トルクΩ×Ｌが加算されたものとなる。このプリセッションとは、ジャイロに外部からトルクが加えられると加えられたトルクと直交する方向にジャイロのスピン軸が回転することであり、ここでのプリセッション・トルクの発生の原因は座標軸の回転にある。
すなわち、ユーザの掌の上でユーザから見て角運動量Lの時間的な変化がない場合でも、ユーザが図２５のように角速度Ωで回転しようとした時にはプリセッション・トルクΩ×Ｌを感じることになる。
【００９８】
ここでナビゲーションを行う場合、ユーザの姿勢の変化が抑制される場合が発生する。
これは、ユーザの体が水平方向に回転した場合、角速度Ωと直交する角運動量Ｌxｉ、およびＬy jに対してジャイロコンパスでよく知られているプリセッション・トルクが働きユーザの体の回転Ωを抑制しようと働くためである。このプリセッション・トルクはユーザの自由な動きを妨げる反面、ユーザの歩行に伴うトルク提示デバイスのふらつきを抑える効果もある。また、ユーザの腕が上下方向に動いた場合、角運動量Ｌxｉ、およびＬzｋに対して同様なプリセッション・トルクが働く。つまり、ユーザが体を動かすとトルクが働いてジャイロコンパスのように常に同じ方向を示そうとする。
【００９９】
本実施形態による制御特徴は、合成角運動量ベクトルＬ１３３２の時間変化を制御する点であり、その制御の容易さが大きな利点である。Ｌをゼロの近傍で急激に変化させることによって、大きなトルク[ｄL／ｄｔ] OΩを発生させながらも、プリセッション・トルク（Ω×Ｌ）を小さく抑え込むことが可能である。これによって、上記のユーザの動きを阻害することなしにナビゲーションを可能とできる。
これとは反対に、もしユーザの動きに伴ってトルク提示機が揺れて困る場合は、適度な大きさの合成角運動量ベクトルＬ１３３２の近傍でＬを時間変化させることによってトルク提示機の揺れを抑えながらもトルクを提示することが可能となる。
一方、ジャイロ型１３１１を用いた場合、
τ=  [ｄL／ｄｔ] OΩ+ Ω×Ｌ
=ω×Ｌ + Ω×Ｌ
となり、大きなトルクを提示するためには、大きな角運動量ベクトルＬが必要であり、その結果、大きなプリセッション・トルクを必ず発生させてしまう。
【０１００】
特に、所謂ヒトナビでの使用するためには、携帯電話やＰＤＡに内蔵されるか、外付けできる程度の小型化が必要である。ここでは、携帯電話に内蔵した場合のトルク提示方法・動作原理について検討する。
【０１０１】
実際にトルクを発生させる次元数によって図２６のように４つに分類できる。
【０１０２】
従来の携帯電話では、バイブレーションは着信を知らせるために使われてきた。最近の携帯電話によるナビでは、曲がり角に近づくとまずバイブレーションによって注意を喚起して、その後音声によって曲がるべき方向を示すようになっている。すなわちバイブレーションによる注意喚起であり、方向情報を提示していないので、これを０次元として位置付けた（バイブレーション１３４１）。
【０１０３】
また、ナビなどの平面空間での方向提示ならば、（図２６−３）に示すように２次元でも十分であり、携帯電話などに内蔵して力覚的ナビゲーションシステムを構築することができる。（図２６−４）は、重心のバランスなどを考慮して新たに考案した対向式のツインモータ方式を採用したモデルである。
【０１０４】
次に、３次元トルク提示の利点を説明する。
【０１０５】
既述の通り、Ω×Ｌ成分はユーザの動きを阻害するためＬがゼロ近傍となる制御点で動作させることを提案した。しかし、Lz成分は、ユーザの振り向きなどの水平面での回転にはプリセッションのトルクが働かないが、腕の上下動には飛行機におけるバーティカルジャイロのように回転軸の保存性によりトルク提示機の姿勢が安定する（図２７参照）。
【０１０６】
つまり、腕が下がり肘を支点として回転ベクトルΩが生じ、掌上のトルク提示機にX方向にトルクτxが発生してLzベクトルを回転しようとして、回転ベクトルΩを打ち消す方向にトルクが発生する。この肘を支点としたトルク提示機の上下動を抑制するトルクがトルク提示機の位置を安定させると考えられる。
【０１０７】
これがLxならば地球ゴマが水平を維持したまま倒れずに回転するように、腕が水平面を回転しながら重力を打ち消すトルクが発生してトルク提示機を浮かせる形になり、持ち続ける疲労を軽減してくれると考えられる。
【０１０８】
（動作原理３）  
以下では、図１３に示した触力覚提示機１３０１をさらに改良した触力覚提示機を説明する。  
【０１０９】
図２８は、図１３の触力覚提示機１３０１と同様に、対向する２つの偏心回転子を１組として、その３組を直交座標系に配置した触力覚提示機２８０１の２次元断面図を示す図である。触力覚提示機２８０１は、球形の筐体２８０７内に偏心回転子（イナーシャ；慣性体）２８０４及びモータ２８０３等が配置されており、図２８は、その球形の筐体２８０７の中心を通る断面図である。偏心回転子２８０４とモータ２８０３とは一体化されており、モータの回転軸２８０２は筐体２８０７の接ぎ手部２８１０に固定されている。即ち回転軸２８２０は固定されており、普通のモータの回転と同じように、回転軸２８０２と一体になっているモータの回転子の磁石とモータ２８０３の本体の電磁石が反発してモータ２８０３が回る。これにより、触力覚提示機２８０１は偏心回転子とモータとが一体化した回転体が回転する。尚、当業者には理解されるであろうが、モータ２８０３の本体への電源供給のための端子は、モータ２８０３の本体が回転しても接点が極性を維持されるように加工されている（不図示）。このため、触力覚提示機２８０１は、図１３の触力覚提示機１３０１ではモータが筐体に固定され偏心回転子のみが回転することに比して、回転部分の質量を大きく（即ち慣性モーメントを大きく）することが可能となり、回転体の回転による力学的な動作（振動、トルク、力の提示）の効率が向上する。さらに、筐体２８０７を軽くするほどその効率が向上する。
【０１１０】
尚、図２８に示した触力覚提示機２８０１は、偏心回転子を適用した場合に限られず、偏心していない回転子ももちろん適用可能である。さらに、触力覚提示機２８０１は球形の筐体を例示したが、触力覚提示機２８０１の原理は球形以外の筐体にももちろん適用可能である。
【０１１１】
図２９は、図２８の触力覚提示機２８０１をさらに改良した触力覚提示機２９０１の２次元断面図を示す図である。触力覚提示機２９０１は、球形の筐体２８０７内にタービンフィン２９０８が配置され流体（気体流又は液体流）２９０９を含んでおり、図２８は、その球形の筐体２８０７の中心を通る断面図である。偏心回転子２８０４とモータ２８０３とが一体化された回転体にタービンフィン２９０８が設けられている。これにより、触力覚提示機２９０１は偏心回転子とモータとが一体化した回転体が回転するとタービンフィンが流体２９０９をかき回す。このため、触力覚提示機２９０１は、図２８の触力覚提示機２８０１の回転体が回転することに比して、流体の循環によってタービンフィンの回転に負荷抵抗がかかり、結果として回転体の実効的な慣性モーメントが増加するため、回転体の回転による力学的な動作（振動、トルク、力の提示）の効率が向上する。さらに、筐体２８０７を軽くするほどその効率が向上する。また、流体を循環させる道筋に流体流路断面を搾る狭窄穴２９１０を設けることでタービンフィンの回転に負荷抵抗を掛けることができる。
【０１１２】
図３０は、図２９の触力覚提示機２９０１をさらに改良した触力覚提示機３００１の２次元断面図を示す図である。触力覚提示機３００１は、球形の筐体３００７内に空気３００９を含みタービンフィンに相対して筐体３００７に穴３０１０が設けられており、図３０は、その球形の筐体３００７の中心を通る断面図である。筐体３００７に穴３０１０が設けられていることにより、触力覚提示機３００１はモータの制御によっては、例えば図３０の左から右へ触力覚提示機３００１を通って流れる気流３００２ａ、３００２ｂが発生する。この場合、触力覚提示機３００１は、図２９の触力覚提示機２９０１が図中左向きに力感覚を提示し続けることに比して、気流３００２ｂの噴射の力も加味され、図中左向きに力感覚を提示し続けることの効率が向上する。尚、これらの穴は、（必須ではないが）弁３０１０と制御回路によって開閉が制御されることで、流量と流速を制御することができることが、当業者には自明であろう。
【０１１３】
タービンフィンは、回転方向と送風方向の関係を制御できる可変型のフィンであり、回転に伴うトルク方向は同一方向でも、フィンの角度を変えることで気流の流れる方向を制御することができる。また、用途によっては固定されていても良い。
【０１１４】
尚、一つの回転軸２８０２に２つずつのモータの回転子、モータ本体、偏心回転体、気流の発生する方向が反対の２つのタービンフィンが装着さていて、回転させるタービンフィンを選択することで気流の流れ方向を制御できるようにしてもよい(不図示)。
【０１１５】
（応用例２）  
図３１は、図１５の手袋状偏心回転子アレイ８９０の他の応用例を示す、シート状偏心回転子アレイ３１１１を手袋状に加工した手袋状偏心回転子アレイ３１１０を示す図である。図３１においては、回転子は格子状に整列されており、そのうちの偏心回転子３１７０ａ〜３１７３ａ、３１７０ｂ〜３１７７ｂだけが回転している。これにより、手袋状偏心回転子アレイ３１１０の各偏心回転子３１７０ａ〜３１７３ａ、３１７０ｂ〜３１７７ｂの回転を適切に制御することで、掌上に空間的広がりとしての仮想的なねじれの触力覚情報を提示することができる。より詳細には、偏心回転子３１７０ａ〜３１７３ａによって同一方向に大きなトルクを提示することで、掌中心部を反時計回りにひねる大きな合成トルク３１５ａを提示し、偏心回転子３１７０ｂ〜３１７７ｂによって同一方向に小さなトルクを提示することで、掌外延部を時計回りにひねる合成トルク３１５ｂを提示する。これにより、掌中心部を反時計回りに強くひねり掌外延部を時計回りに弱くひねる仮想的なねじれの触力覚が体感される。
【０１１６】
図３２は、図２８の触力覚提示機２８０１をさらに改良した触力覚提示機３２０１の２次元断面図を示す図である。触力覚提示機３２０１は、球形の筐体２８０７中心部に制御回路３２０５と角加速度センサ(及び重力・加速度センサ）３２０６が配置されており、図３２は、その球形の筐体２８０７の中心を通る断面図である。制御回路３２０５は図４１における制御装置４１２０に相当し、角加速度センサ(及び重力・加速度センサ）３２０６は図４１における入力装置４１３０に相当する。図３２の触力覚提示機３２０１は野球ボールの態様をしたボールを想定しているが、その他どのような形のボールであってもよい。角加速度センサ３２０６は、ボール（触力覚提示機３２０１）が図中符号３２１０の向きへ投球された時のリリースで発生するバックスピン３２１５をモニタし、また、等速回転運動の場合には重力・加速度センサで重力方向がわかり、重力方向がセンサのxyz軸成分で周期的に変化するので、ボールの回転をモニタすることができる。尚このような方法でなくても、ボールの回転が検出できればその他の方法を適用してもよい。制御回路３２０５は、角加速度センサ(及び重力・加速度センサ）３２０６からの入力情報を解析して、ボール（触力覚提示機３２０１）のバックスピン３２１５を打ち消すように触力覚提示機３２０１内のモータを制御する。このため、ボール（触力覚提示機３２０１）は無回転となり、その後方に発生する流れや渦の影響で不規則に揺らいで変化する変化球となる（所謂ナックルボール）。同様に、回転をその他自在に制御することにより、カーブやシュート、さらにはカーブした後にシュートして落ちるような現実の野球ではあり得ない変化球も含め様々変化球を実現することができる。尚、図３２の実施形態は、図２９の触力覚提示機２９０１にも適用可能である。
【０１１７】
再度、図３０の触力覚提示機３００１を参照する。従来のＶＲにおける力覚提示機は、それ自体の重量がユーザに感じさせる本来のＶＲの効果を低減させていた。そこで、図３０の触力覚提示機３００１において、モータの制御によって、図３０の上から下へ触力覚提示機３００１を通って流れる気流を発生させることで、下方への気流の噴射の力によって触力覚提示機３００１自体の重量をユーザに感じさせることを低減し、ＶＲをユーザに感じさせる本来の効果を向上できる。同様に、図３０の下から上へ触力覚提示機３００１を通って流れる気流を発生させることで、上方への気流の噴射の力によって触力覚提示機３００１自体の重量を実際よりも重くユーザに感じさせることもできる。
【０１１８】
図３３は、本実施形態で上述してきた触力覚提示機を内蔵したペン状デバイス３３０１の説明図である。ペン状デバイス３３０１は、表面にタッチパネル３３５０が設けられており、タッチパネル３３５０は図中符号３３１０、３３２０、３３３０、３３４０の各ボタン列を表示し、各ボタン列は４個のボタンを有する。本実施形態のペン状デバイス３３０１は、例えば、ペン状携帯電話等への応用を想定している。尚、タッチパネル３３５０の機能は、タッチパネルに替えて物理的なボタンでもよい。また、各ボタン列は４個のボタンに限らず、所望の数であってもよい。また、ボタン列も所望の数だけ設けてよい（これらの例として、図４２に図３３の補足説明の図を示す）。ここで、図３３（ａ）から図３３（ｂ）へ１８０°回転させて使用しているが、（３６０°／列の数）の回転角度ずつ列の数だけ仮想的な操作パネルが存在することになる。
【０１１９】
図３３（ａ）に示すように、ユーザがペン状デバイス３３０１を把持し符号３３０２の向きからペン状デバイス３３０１を見ている場合、ボタン列３３１０、３３２０、３３３０は、各々「１、４、７、＊」、「３、６、９、＃」、「２、５、８、０」の数字入力機能のボタンを有する。
【０１２０】
一方、図３３（ｂ）に示すように、ユーザがペン状デバイス３３０１を図３３（ａ）の状態から１８０°回転して把持し、符号３３０２の向きからペン状デバイス３３０１を見ている場合、ボタン列３３１０のボタン「１、４、７、＊」は各々「あ、た、ま、゛。」のかな入力機能となり、ボタン列３３２０のボタン「３、６、９、＃」は各々「さ、は、ら、（enter）」のかな入力機能となり、ボタン列３３４０のボタン
【０１２１】
2005190465.tif 000003
【０１２２】
は各々「か、な、は、わ」のかな入力機能となる。即ち、この例の場合は、４行４列で実現しており、デバイスの表側として第１列第２列第３列を利用して、デバイスの裏側として第３列第４列第１列を使用可能としている。
【０１２３】
図３４は、ペン状デバイス３３０１の概略構成を示す図である。ペン状デバイス３３０１は、触力覚提示機３４１０、制御回路３４２０、周知の加速度センサをもとにした姿勢センサ３４３０、ペン状デバイス制御回路３４４０、タッチパネル３３５０から構成される。制御回路３４２０は図４１における制御装置４１２０に相当し、姿勢センサ３４３０は図４１における入力装置４１３０に相当する。ペン状デバイス制御回路３４４０は、姿勢センサ３４３０からの入力に基づいて図３３（ａ）と図３３（ｂ）のいずれの状態でユーザがペン状デバイス３３０１を見ているか判定し、図３３（ａ）又は図３３（ｂ）のように符号３３１０、３３２０、３３３０、３３４０の各ボタン列の入力機能を決定し、対応ボタンをタッチパネル上に表示する。また、ペン状デバイス制御回路３４４０は、タッチパネル３３５０からの入力を処理し、例えばボタン「０」がユーザによって押下された場合には数字の０の入力を処理する。ペン状デバイス制御回路３４４０のような、姿勢センサ３４３０からの入力を処理しタッチパネル３５５０からの入力を処理する回路とその制御は、当業者には周知なため詳細な説明は要しないであろう。
【０１２４】
ここで、例えばボタン「０」がユーザによって押下された場合、姿勢センサ３４３０は、図３４中の向き３３０２への姿勢変化を検知したり、タッチパネルの圧力センサが押下した指の動きを検知し、制御回路３４２０は、姿勢センサ３４３０からの入力情報を解析して、タッチパネル上の仮想ボタンなのに実際のボタンを押したような感覚が提示されるように３４６０と３３０２の向きの動きを提示するように触力覚提示機３４１０内のモータを制御し力覚フィードバックを与える。このため、触力覚提示機３４１０は向き３４６０と３３０２へ力の提示を行い、ボタン「０」の押下をユーザに体感させる。
【０１２５】
また、例えばボタン「０」がユーザによって上から下に擦られた場合、姿勢センサ３４３０が図３４中の向き３４７０への姿勢変化を検知したり、タッチパネルのセンサが擦った指の動きを検知し、制御回路３４２０は、姿勢センサ３４３０およびタッチパネルのセンサからの入力情報を解析して、タッチパネル上の仮想ホイールなのに実際のスクロール用ホイールやジョイスティックを操作したような感覚が提示されるように３４７０と３４８０の向きの動きを触力覚提示機３４１０内のモータを制御し力覚フィードバックを与える。このため、触力覚提示機３４１０は向き３４７０と３４８０へ力の提示を行い、仮想スクロール用ホイールの操作感覚をユーザに体感させる。
【０１２６】
図３５は、本実施形態で上述してきた触力覚提示機を内蔵したポインタ３５０１の説明図で、ポインタ３５０１の概略構成を示す図である。ポインタ３５０１は、触力覚提示機３５１０、制御回路３５２０、姿勢センサ（又は位置センサ若しくは加速度センサ）３５３０、ポインタ制御回路３５４０、スイッチ３５５０、レーザ光源３５９０から構成される。制御回路３５２０は図４１における制御装置４１２０に相当し、姿勢センサ３５３０とスイッチ３５５０は図４１における入力装置４１３０に相当する。ポインタ制御回路３５４０は、スイッチ３５５０ＯＮ時にレーザ光源３５９０からレーザ光３５８０を出すように制御する。ポインタ制御回路３５４０のような、レーザ光源３５９０からレーザ光３５８０を出すように制御する回路とその制御は、当業者には周知なため詳細な説明は要しないであろう。
【０１２７】
ここで、ユーザによってスイッチ３５５０が押下されポインタ３５０１が向き３５７０へ振られた場合、姿勢センサ３５３０は向き３５７０への姿勢変化を検知し、制御回路３５２０は、姿勢センサ３５３０からの入力情報を解析して、触力覚提示機３５１０の向き３５７０への動きを抑制するように触力覚提示機３５１０内のモータを制御する。このため、触力覚提示機３５１０は向き３５９０へ力の提示を行い、振った向き３５７０に対する抗力をユーザに体感させる。これにより、例えば、レーザ光追尾機能を有する物体３５６０に対して、レーザ光３５８０の照射によって物体３５６０をポイントしながら図３５中左から右へ移動させるような場合、物体３５６０を動かした向き３５７０に対する抗力（向き３５９０の力）をユーザに体感させることでユーザが物体３５６０をつかんで移動させたかのような感覚を与える。ここではレーザ光源３５９０およびレーザ光追尾機能を用いて物体３５６０の選択および把持意思をポインタ制御回路３５４０に伝えているが、選択および把持意思が入力できるのならばこの限りではない。
【０１２８】
図３６は、本実施形態で上述してきた触力覚提示機を内蔵した指揮棒型コントローラ３６０１の説明図で、指揮棒型コントローラ３６０１の概略構成を示す図である。指揮棒型コントローラ３６０１は、家庭用ビデオゲーム機の周知の（指揮をする）音楽ゲーム等で使用するコントローラである。指揮棒型コントローラ３６０１は、触力覚提示機３６１０、制御回路３６２０、姿勢センサ３６３０、コントローラ制御回路３６４０から構成される。制御回路３６２０は図４１における制御装置４１２０に相当し、姿勢センサ３６３０とコントローラ制御回路３６４０は図４１における入力装置４１３０に相当する。コントローラ制御回路３６４０はゲーム機３６０６と信号３６０９を送受信することにより、姿勢センサ３６３０からの入力情報を処理してゲーム機３６０６へ送信し、ゲーム機３６０６からの指示を受信する。コントローラ制御回路３６４０のような、ゲーム機３６０６と通信するように制御する回路とその制御は、当業者には周知なため詳細な説明は要しないであろう。尚、図３６においては信号３６０９は有線システムの信号を例示しているが、これに限らず、信号３６０９は無線システムにおける信号であってもよい。
【０１２９】
ここで、ユーザがモニタ３６０５の音楽ゲームを行うとき指揮棒型コントローラ３６０１を向き３６０７へ振った場合、姿勢センサ（又は圧力センサ）３６３０は握り方や向き３６０７への姿勢変化を検知し、コントローラ制御回路３６４０は、姿勢センサ３６３０からの入力情報を処理してゲーム機３６０６へ送信する。ゲーム機３６０６は、姿勢センサ３６３０からの姿勢変化の情報に基づいて音楽ゲームを処理し、指揮者の指揮棒の振り方によって、テンポ、強弱、ブレスなどの音楽ゲーム中のオーケストラの演奏が変化する。そのときの音楽が人によって演奏可能な演奏速度や演奏方法のダイナミックレンジを越えると判定した場合、抑制信号をコントローラ制御回路３６４０へ送信する。コントローラ制御回路３６４０は、抑制信号を受信すると制御回路３６２０へその旨の情報を送り、制御回路３６２０は、コントローラ制御回路３６４０からの入力情報を解析して、触力覚提示機３６１０の向き３６０７への動きを抑制するように触力覚提示機３６１０内のモータを制御する。このため、触力覚提示機３６１０は向き３６６０へ力の提示を行い、振った向き３６０７に対する抗力をユーザに体感させる。これにより、音楽ゲームにおいて音楽が人によって演奏可能な演奏速度や演奏方法のダイナミックレンジを越えることはなくなり、より音楽ゲームがリアルなものとなる。
【０１３０】
（変形形態）
以下では、動作原理１〜３の変形形態を説明する。
【０１３１】
図３７は、本実施形態で上述した（図１１−４）の触力覚情報提示方法の変形形態の概略構成を示す図である。（図１１−４）では、２つの偏心回転子を反対方向に同期回転させ、任意の方向に直線的に単振動する力を合成した。図３７は、偏心回転子に替えてピエゾ素子３７０１を使用し、ピエゾ素子３７０１を図中ｘ方向に複数積層したピエゾアレイ３７１０と、ピエゾ素子３７０１を図中ｙ方向に複数積層したピエゾアレイ３７２０を構成し、それらピエゾアレイ３７１０、３７２０を交互にｘ、ｙ方向に並べた振動子であるピエゾマトリクス３７３０を示す図である。
【０１３２】
図３７のピエゾマトリクス３７３０を使用する触力覚情報提示方法は、図４１において、回転子４１８０に替えてピエゾマトリクス３７３０を使用した方法である。このような構成で、図４１の制御装置４１２０は、図３７におけるｘ方向の電圧を制御してｘ方向の単振動３７５０を制御し、図３７におけるｙ方向の電圧を制御してｙ方向の単振動３７４０を制御する。ピエゾ素子３７０１単体では十分な振幅が出ないところを、図３７の構成では、ピエゾアレイ３７１０、３７２０を構成し大きな振幅を可能としている。図３７の方法によれば、図４１の触力覚提示機４１１０は、回転子４１８０の駆動に要したステッピングモータやサーボモータが不要となり、制御装置４１２０もそれらモータの制御回路が不要となり、触力覚提示機と制御装置とを合わせた構成が簡単になる。
【０１３３】
さらに図３７のピエゾマトリクス３７３０を拡張し、ピエゾアレイ３７１０、３７２０を交互にｘ、ｙ、ｚ方向に並べたピエゾの立方体等を構成すれば、ｘ、ｙ、ｚ方向の単振動が制御可能な振動子を構成できることは、当業者には理解されるであろう。図３７の方法は、例えば、ゲーム機のコントローラで所望の方向の力を発生させる仕組みに適用可能である。ここでピエゾ素子３７０１の配列パターンは、ｘ、ｙ、ｚ方向の単振動を発生することができるならば特に問わない。
【０１３４】
図３８も、本実施形態で上述した（図１１−４）の触力覚情報提示方法の別の変形形態の概略構成を示す図である。図３８（ａ）は、偏心回転子に替えてスピーカの構造を使用した立方体の振動子３８０１を示し、振動子３８０１は、スピーカの磁石３８１０ｂ、３８１０ｃ、３８１０ｍ等を各面中央に有する。尚、磁石３８１０ｂ、３８１０ｃ、３８１０ｍ等は各面中央に限らず、面の任意の位置でもよい。
図３８（ｂ）は、図３８（ａ）において振動子３８０１をその重心を通る水平な断面３８２０で切って見た場合の断面図を示す図で、振動子３８０１は、磁石３８１０ａ、３８１０ｂ、３８１０ｃ、３８１０ｄの各々と組み合わされたスピーカのコーン３８４０ａ、３８５０ａ、３８４０ｂ、３８５０ｂ、３８４０ｃ、３８５０ｃ、３８４０ｄ、３８５０ｄを各面に有する。
【０１３５】
図３８の振動子３８０１を使用する触力覚情報提示方法は、図４１において、回転子４１８０に替えて振動子３８０１を使用した方法である。このような構成で、図４１の制御装置４１２０は、例えば図３８（ｂ）におけるｘ方向の磁石の電圧を制御してｘ方向の単振動３８７０を制御し、図３８（ｂ）におけるｙ方向の磁石の電圧を制御してｙ方向の単振動３８６０を制御する。図３８の構成では、スピーカの磁石とコーンの振動による大きな振幅を可能としている。図３８の方法によれば、図４１の触力覚提示機４１１０は、回転子４１８０の駆動に要したステッピングモータやサーボモータが不要となり、制御装置４１２０もそれらモータの制御回路が不要となり、触力覚提示機と制御装置とを合わせた構成が簡単になる。ここで磁石３８１０ａ、３８１０ｂ、３８１０ｃ、３８１０ｄの各々と組み合わされたスピーカのコーン３８４０ａ、３８５０ａ、３８４０ｂ、３８５０ｂ、３８４０ｃ、３８５０ｃ、３８４０ｄ、３８５０ｄのような構成でなくとも、ｘ、ｙ、ｚ方向の単振動を発生することが実現できれば特に磁石とコーンの組み合わせを問わず、磁石のみで構成としてもよい。
【０１３６】
図３９は、本実施形態で上述した図１３の触力覚提示機１３０１の変形形態の概略構成を示す図である。図１３の触力覚提示機１３０１では、その前提の図１１−１〜図１２−２における説明にあるように、対向する２つの偏心回転子の回転軸は同一軸上も含め回転軸が平行してさえすればよい。このため、図１３の触力覚提示機１３０１では、対向する２つの偏心回転子が回転軸方向に離れており異なる面で各々回転するため、２つの偏心回転子のそれら回転面方向に発生する相互の力による余分なモーメントが触力覚提示機１３０１に発生し、回転軸のカタカタ音等の要因となることが懸念される。図３９は、対向する２つの偏心回転子が異なる面で回転することに起因した余分なモーメントの発生を抑制した構造を示す図である。
【０１３７】
図３９に示す対向する２つの偏心回転子３９０１ａと３９０１ｂの配置は、それらの回転軸が同一軸上にあり、偏心回転子３９０１ａを偏心回転子３９０１ｂの一部が覆う構成となっている。このような構成により、２つの偏心回転子３９０１ａと３９０１ｂの多くの質点が、同一回転軸の周りに同一面上で回転するため、対向する２つの偏心回転子が異なる面で回転することに起因した余分なモーメントの発生が抑制され、回転軸のカタカタ音等も緩和される。これにともなって３組の偏心回転子対３９０１ａと３９０１ｂ等を図１３のように重心位置で直交させることは不可能であり、それぞれの偏心回転子対３９０１ａと３９０１ｂ等が直交関係にあればよい。また、３次元的に任意の方向に回転を合成できれば直交していなくても良い。尚、本実施形態は３次元に限らず、用途によっては、１次元でも、２次元でも応用が可能である。
【０１３８】
（応用例３）
図４０は、本実施形態で上述してきた触力覚提示機を内蔵した机上デバイス４００１の説明図で、机上デバイス４００１の概略構成を示す図である。机上デバイス４００１は、触力覚提示機４０１０、制御回路４０２０、姿勢センサ４０３０（加速度又は角加速度若しくは位置センサでもよい）から構成される。制御回路４０２０は図４１における制御装置４１２０に相当し、姿勢センサ４０３０は図４１における入力装置４１３０に相当する。
【０１３９】
ここで、例えば机上デバイス４００１がユーザによって机上で向き４０４０へ移動された場合、姿勢センサ４０３０は、図４０中の向き４０４０への位置変化を検知し、制御回路４０２０は、姿勢センサ４０３０からの入力情報を解析して、触力覚提示機４０１０の向き４０４０への動きを抑制したり水平方向に揺らしたりするように触力覚提示機４０１０内のモータを制御する。このため、触力覚提示機４０１０は向き４０５０へ力の提示を行い、向き４０４０への移動に対する机上の摩擦力をユーザに体感させる。
【０１４０】
また、例えば机上デバイス４００１がユーザによって机上で向き４０４０へ移動された場合、姿勢センサ４０３０は、図４０中の向き４０４０への位置変化を検知し、制御回路４０２０は、姿勢センサ４０３０からの入力情報を解析して、触力覚提示機４０１０の向き４０４０に対して法線方向の力を発生するように触力覚提示機４０１０内のモータを制御する。このため、触力覚提示機４０１０は方向４０６０の単振動などの力の提示を行い、向き４０４０への移動に対する机上のでこぼこ感をユーザに体感させる。
【産業上の利用可能性】
【０１４１】
本発明を実施することにより、ＶＲ（Virtual Reality）の分野において用いられる機器，ゲームの分野において用いられる機器，携帯電話機，携帯型ナビゲーション機器，ＰＤＡ（携帯情報端末）などに搭載され得る、有用なマンマシンインタフェースを実現することができる。
【０１４２】
より具体的に述べると、例えばＶＲの分野においては、本発明を適用したマンマシンインタフェースを介して人に力を提示したり、抗力あるいは反力などを与えて人の動きを制限することにより、仮想空間における物体の存在や衝突による衝撃を提示することができる。また、携帯電話機，携帯型ナビゲーション機器などに上記インタフェースを搭載することにより、操作者の皮膚を介して、従来には見られなかった各種多様な指示・案内等を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４３】
【図１】本発明の一実施形態における触力覚情報提示システムの概略構成を示す図である。
【図２】触力覚に関する感覚特性を用いた触力覚情報提示方法を示す図である。
【図３】触力覚に関する感覚特性を用いた触力覚情報提示方法を示す図である。
【図４】触力覚に関するヒステリシス的感覚特性を用いた触力覚情報提示方法を示す図である。
【図５】触力覚に関するマスキング効果によって感覚特性を変化させる方法を用いた触力覚情報提示方法を示す図である。
【図６】触力覚に関するマスキング効果によって感覚特性を変化させる方法を用いた触力覚情報提示方法を示す図である。
【図７】触力覚に関するマスキング効果によって感覚特性を変化させる方法を模式化した図である。
【図８】触力覚に関する感覚特性の変化に合わせて触力覚情報提示を制御する方法を用いた触力覚情報提示方法を示す図である。
【図９】触力覚に関する感覚特性である不等方性感度曲線変化に合わせて触力覚情報提示を制御する方法を用いた触力覚情報提示方法を示す図である。
【図１０】触力覚に関する感覚特性を用い、偏心回転子７１１の回転を位相同期させた触力覚情報提示方法を示す図である。
【図１１】２つの偏心回転子Ａ８１２および偏心回転子Ｂ８１３の回転の方向および位相を適切に同期させることによって、振動感覚、トルク感覚、力感覚の触力覚情報提示方法を示す図である。
【図１２】２つの偏心回転子Ａ８１２および偏心回転子Ｂ８１３の回転の方向および位相を適切に同期させることによって、振動感覚、力感覚の触力覚情報提示方法を示す図である。
【図１３】２つの偏心回転子Ａ８１２および偏心回転子Ｂ８１３を１組として、その３組を直交座標系に配置した説明図である。
【図１４】本発明を適用したシート状偏心回転アレイの説明図である。
【図１５】本発明を適用した手袋状偏心回転アレイの説明図である。
【図１６】触力覚に関する感覚特性を用い、２つの偏心回転子Ａ９１２および偏心回転子Ｂ９１３の回転を位相同期させた触力覚情報提示方法を示す図である。
【図１７】触力覚に関する感覚特性を用い、２つの偏心回転子Ａ１０１２および偏心回転子Ｂ１０１３の回転を反対方向に位相同期させた触力覚情報提示方法を示す図である。
【図１８】図１７に示した２つの偏心回転子を用いた力感覚の提示方法を用いて、自分で押す感覚、膨張感、圧迫感、自分で引っ張る感覚、外部から引っ張られる感覚、外部から押される感覚を提示する方法を模式化した図である。
【図１９】本発明を適用したスキン状偏心回転アレイの説明図である。
【図２０】本発明を適用したスキン状偏心回転アレイの説明図である。
【図２１】本発明を適用したスキン状偏心回転アレイの説明図である。
【図２２】本発明を適用したスキン状偏心回転アレイの説明図である。
【図２３】触力覚に関するマスキング効果によって感覚特性を変化させる方法を用いて、任意の方向に振動触力覚情報提示方法を示す図である。
【図２４】ジャイロ型および合成角運動量ベクトル微分型についての説明図である。
【図２５】慣性座標系における合成角運動量の説明図である。
【図２６】本発明を適用した触力覚情報提示システムを携帯電話に内蔵した場合のトルク提示方法・動作原理について示した説明図である。
【図２７】３次元トルク提示の利点を説明するに際して、腕の上下動には飛行機におけるバーティカルジャイロのように回転軸の保存性によりトルク提示機の姿勢が安定することを示す説明図である。
【図２８】対向する２つの偏心回転子を１組として、その３組を直交座標系に配置した触力覚提示機２８０１の２次元断面図を示す図である。
【図２９】触力覚提示機２８０１をさらに改良した触力覚提示機２９０１の２次元断面図を示す図である。
【図３０】触力覚提示機２９０１をさらに改良した触力覚提示機３００１の２次元断面図を示す図である。
【図３１】図１５の手袋状偏心回転子アレイ８９０の他の応用例を示す図である。
【図３２】触力覚提示機２８０１をさらに改良した触力覚提示機３２０１の２次元断面図を示す図である。
【図３３】本実施形態の触力覚提示機を内蔵したペン状デバイス３３０１の説明図である。
【図３４】ペン状デバイス３３０１の概略構成を示す図である。
【図３５】本実施形態の触力覚提示機を内蔵したレーザポインタ３５０１の説明図で、レーザポインタ３５０１の概略構成を示す図である。
【図３６】本実施形態の触力覚提示機を内蔵した指揮棒型コントローラ３６０１の説明図で、指揮棒型コントローラ３６０１の概略構成を示す図である。
【図３７】（図１１−４）の触力覚情報提示方法の変形形態の概略構成を示す図である。
【図３８】（図１１−４）の触力覚情報提示方法の別の変形形態の概略構成を示す図である。
【図３９】図１３の触力覚提示機１３０１の変形形態の概略構成を示す図である。
【図４０】本実施形態の触力覚提示機を内蔵した机上デバイス４００１の説明図で、机上デバイス４００１の概略構成を示す図である。
【図４１】本実施形態の触力覚情報提示システムのブロック図である。
【図４２】本実施形態の触力覚提示機を内蔵したペン状デバイス３３０１の補足説明図である。
【符号の説明】
【０１４４】
１１２  触力覚提示機
１１１  制御装置
１１０  ユーザ
２１１  感覚特性
２１２  物理量
２１３  感覚量
２１４  動作点Ａ
２１５  動作点Ｂ
２２２  回転速度
２２３  トルク
２２４  トルク感覚
２２８  初期状態
２２５  動作点Ａ継続時間
２２６  動作点Ｂ継続時間
２３１  感覚特性
２３４  動作点Ａ
２３５  動作点Ｂ
２４４  トルク感覚
２４３  トルク
２４８  初期状態
２４６  動作点Ｂ継続時間
３１２  変位
３１１  ヒステリシス的感覚特性
３１４  動作経路Ａ
３１５  動作経路Ｂ
３３４  トルク感覚
３３３  トルク
３３２  回転速度
３３８  初期状態
４６４  トルク感覚
４２４  マスキング
４２５  前方マスキング
４２６  後方マスキング
４１３  トルク
４３４  トルク感覚
４１２  回転速度
４１５  初期化時間
４４５  マスキング継続時間
４８５  前方マスキング
４８６  後方マスキング
４８４  トルク感覚
５１３  触力覚提示機
５１４  提示トルク
５１５  筋肉起因トルク
５１６  提示トルク
５１７  トルク感覚
８１２  偏心回転子Ａ
８１３  偏心回転子Ｂ
９１２  偏心回転子Ａ
９１３  偏心回転子Ｂ
９３１  感覚特性
９３２  物理量
９３３  感覚量
９３４  動作点Ａ
９３５  動作点Ｂ
９４４  トルク感覚
９４２  回転速度
９４３  トルク
９４８  初期状態
９４５  動作点Ａ継続時間
９４６  動作点Ｂ継続時間
１０１２  偏心回転子Ａ
１０１３  偏心回転子Ｂ
１０３１  感覚特性
１０３２  物理量
１０３３  感覚量
１０３４  動作点Ａ
１０３５  動作点Ｂ
１０４４  力感覚
１０４３  力
１０４２  合成回転速度の大きさ
１０４８  初期状態
１０４５  動作点Ａ継続時間
１０４６  動作点Ｂ継続時間
１１１１  ツイン偏心回転子
１１１２  ツイン偏心回転子
１１１３、１１１４  力
１２１６  マスキング振動
１２２４  トルク感覚
１２２４  力感覚
１２１２  合成回転速度の大きさ
１２１５  初期化時間
１２４４  力感覚
１３０１  触力覚提示機
【図１】
2005190465.tif 000004
【図２】
2005190465.tif 000005
【図３】
2005190465.tif 000006
【図４】
2005190465.tif 000007
【図５】
2005190465.tif 000008
【図６】
2005190465.tif 000009
【図７】
2005190465.tif 000010
【図８】
2005190465.tif 000011
【図９】
2005190465.tif 000012
【図１０】
2005190465.tif 000013
【図１１】
2005190465.tif 000014
【図１２】
2005190465.tif 000015
【図１３】
2005190465.tif 000016
【図１４】
2005190465.tif 000017
【図１５】
2005190465.tif 000018
【図１６】
2005190465.tif 000019
【図１７】
2005190465.tif 000020
【図１８】
2005190465.tif 000021
【図１９】
2005190465.tif 000022
【図２０】
2005190465.tif 000023
【図２１】
2005190465.tif 000024
【図２２】
2005190465.tif 000025
【図２３】
2005190465.tif 000026
【図２４】
2005190465.tif 000027
【図２５】
2005190465.tif 000028
【図２６】
2005190465.tif 000029
【図２７】
2005190465.tif 000030
【図２８】
2005190465.tif 000031
【図２９】
2005190465.tif 000032
【図３０】
2005190465.tif 000033
【図３１】
2005190465.tif 000034
【図３２】
2005190465.tif 000035
【図３３】
2005190465.tif 000036
【図３４】
2005190465.tif 000037
【図３５】
2005190465.tif 000038
【図３６】
2005190465.tif 000039
【図３７】
2005190465.tif 000040
【図３８】
2005190465.tif 000041
【図３９】
2005190465.tif 000042
【図４０】
2005190465.tif 000043
【図４１】
2005190465.tif 000044
【図４２】
2005190465.tif 000045