日本バーチャルリアリティ学会第 7 回大会論文集(2002 年 9 月)

二次元リニアモータによるバーチャルデスクトップ用の力覚提示装置の開発
Development of new haptic display system for virtual desktop using 2 DOF linear motor
野間 春生、 柳田 康幸、 鉄谷 信二
Haruo Noma, Yasuyuki YANAGIDA and Nobuji TETSUTANI(〒 619-0288

ATR メディア情報科学研究所
京都府 " けいはんな学研都市 " 光台 2-2-2, noma@atr.co.jp)

Abstract: We have developed two dimensional force display using two linear induction motors for adigital desk. The force display can generate translational force for a metal plate in any direction on thedesk. We intend to equip the force display into a typical digital desk. The system allows a user to interact
with both virtual and real objects on a desk with a feeling of realistic sensation. In the paper, we measured performance of the first trial system and proposed some improvements.
Key Words: Digital desk, Force display, Linear induction motor, Virtual reality

1. はじめに
デジタル革命により情報のグローバル化が進み、地球規模で情報の発信と共有が可能となった。そして今や世代や地域、職業、文化、社会の枠を越えた多様性を認めあうコ
ミュニケーションを実現するメディアが求められており、我々はWebの様な蓄積型の非同期コミュニケーションを用いて､互いの体験共有をする 体験Web を提案している[1]｡
ここでは誰かが感じた体験を電子メイルやWebの様に手軽に､他者にフィードバックすることで両者に新たな体験や創造が生まれてくる可能性もでてくる｡
我々は特に､この体験 Web での体験の入出力部となる五感メディアの研究を進めている｡五感メディアとは､ある人の体験を記録し､これを相手のメディアや相手自身の履歴に合わせて再生して､追体験させるための技術である｡
その一環として､本稿では GUI 画面上での操作感覚の共有､特に手先への操作感を共有するための技術として､digitaldesk環境での力覚提示システムの研究について報告する｡ここでは､リニア誘導モータを用いて､投影されるデスクトップ画面を一切遮ることなく､スクリーンそのものが力覚提示装置として機能する手法を検討し､その試作装置を用いて特性を計測した｡

2. 関連研究2.1 Digital Desk 研究の流れと本研究の位置付け
Wellnerが 1991年に提案した Digital Deskのコンセプト[2]は､従来のマウスとモニタを介したユーザーと計算機の間接的な関係を大きく変化させた｡ここでは､ごく一般的な机の上にデスクトップを投影し(Visual Display)､マウスアイコンの代わりにユーザー自身の指先を用いて直接操作する(Control)｡また､カメラ等を用いて書類や人形等の実物を電子化された情報としてデスクトップ環境に取込むことも可能とした(Registration)｡これ以降､提案された多くのdigital desk
では上記の三つの機能を多様な手法で実現しているが､五感メディアとして本研究で目標とする digital desk には、第四の機能であるユーザーに操作反力を提示する機能(Reaction)が必要になる｡これは従来のdigital deskでは困難であったデスクトップ環境からユーザー環境への物理的情報の流れを実現する｡
上記の三機能までのレベルでの典型的なdigital deskの研究例としては､小池らのEnhanced Desk, Augmented Desk[3]では赤外線カメラを用い､歴本の Smart Skin[4]では静電容量変化によって机上の状態を検知するセンサーを開発し､高度なデスクトップ操作と実物体の形状や状況の取込み機能を実現させた｡石井らは meta desk､ I/OBulb､Urp､Sensetable､Illusion clay[5-7]と一連のdigital desk研究を進めている｡これらではデスクトップ環境内で表示される情報を実物を介して手で操作し、都市計画や光学設計に利用している。
第四の機能であるデスクトップ環境から物理的な作用をユーザーや実物体にフィードバックさせる例として、
Brederson は Virtual Haptic Workbench[8]で PHANToM を利用して操作反力のみを提示するシステムを提案している｡また､前述の石井らもPSyBench[9]で、机の下に電磁石を取り付けたXYステージを設け､机の上の物体の底部にも磁石を配置し､これによってデスクトップ環境の演算結果を実世界の物体の動きに反映させる手法を提案した｡前者のようにロボットアームを用いて digital desk 環境でユーザーに操作反力を与える方法では､作業環境が大きくなるに連れて装置が相当に巨大かつ複雑になり、digital deskの最大のメリットであるシームレスな操作感を損なう恐れがある。また､後者のXY ステージを用いる方法では､見た目は一般的な digitaldeskと変わらないが､ステージが常に指先を追跡せねばならず､機構部に相当の応答速度が求められる｡また､複数の点に独立に反力を生成することは原理上困難である｡
そこで、我々は digital desk 環境そのものをモータとして直接並進運動を発生させるリニアモータ方式を提案する。
2.2 リニアモータ
リニアモータは既存の回転モータの分類に対応して、リニア誘導モータ、リニア同期モータ、リニアパルスモータ、
リニア DC モータに分類される。[10,11]いずれも構造上は一次側と二次側の組み合わせで無限長の並進可動が可能な機構

図 1 リニア誘導モータの動作原理

図 2 試作リニア誘導モータである。この中でも、特にリニア誘導モータ(LIM : LinearInduction Motor)はコイル群を一次側とすると、二次側は単なる導体である。つまり机を一次側としてコイルを仕込めば、指先に金属片を取り付けておくだけで机上の指先に並進力を発生できる。
他のリニアモータでは指先に永久磁石、又は、ケーブル付きコイルを装着して引き回す必要がある。
LIM は広く使われる回転型 AC モータを切り開き、直線上に引き延ばした構造である。一次側のコイルは三相のコイルを複数並べたものであり、図 1 に示すように三相交流を印可するとコイルを並べた方向に進行磁界が生じる。すると二次導体上にこの磁界の進行を妨げる方向に磁界を発生させる渦電流が励起される。この渦電流に対して進行磁界が作用して、フレミングの法則によって二次導体に並進力が生じる。従って、二次導体の速度制御､トルク制御が簡単にできる反面、位置制御にはフィードバック制御が必要となる。また二次側が単なる導体板であり、大型化が容易で、単純な構造のため地下鉄やエレベータ等に広く実用化されている。 大平らはこれを X-Y ステージでの駆動へ利用した。[12] 構造は基本的には一次元のLIMと同じで、机の下に直交した二組のコイル群を並べ、机上に任意方向の合成進行磁界を発生させ、導体である二次側を自由に駆動させるというアイデアである。大平らはこの二次元LIM を搬
送ベルトコンベアの一部の経路切り替え部に応用した。
我々はこの二次元LIMで力制御が可能である点と、二次側に相当する並進力生成部が単なる導体片である点に着目し、これをdigital desk用のForce displayとして採用した。本構成では、デスクトップの投影やユーザーの視野を遮るものは一切無しに、自由に指先や机上の物体に並進力を発生できるため、digital desk の特徴であるシームレスな操作感が全く損なわれない。

次元 LIM を試作しその特性を計測した｡
3.1 試作 X-Y LIM
試作機を図2に示す｡設計は基本的に大平らの二次元LIMを参考にした。
ベースとなる一次側鉄心コアは櫛形のけい素鋼板を積層した剣山のような構造で､並進力を発生するテーブル部分は285x285mmである｡コイルを設置するスロットは縦横に9x9個設けた｡スロット間距離と幅は15mm､深さは下コイル用に60mm､上コイル用に30mmとした｡理想的にはコア上端直上に 2 次導体が接触するべきであるが､digital deskの投影面と一定量のギャップ確保のためにアクリル板をコア上に置いた。
これによりギャップはアクリル樹脂を挟んで約7mmとした｡コア内部に配置する一次コイルは､200回巻きコイルを用いた。これを直列に二個繋ぎ、三つ一組で上下各スロット内に直交するよう配置する｡コイルピッチは 3スロット分で 45mm の 2 極モータとなる｡
テーブル面で実際に力が生じる二次導体には非磁性で導電性が求められるため､アルミ､銅､黄銅の板材を用いた｡二次側に非磁性体と鉄板を重ねると磁束回路が閉じるために効率が向上するが､LIMではコアが電磁石として鉄板を吸着するために保持機構無しには並進駆動できなくなる｡従って効率よりも二次側の単純構造を優先し鉄板は用いていない｡
三相のコイルはそれぞれスター接続し､ACモータ用汎用インバータ(容量 2.4kW)を各軸独立に接続した｡電源は三相200V交流を用いている｡回転モータ用のインバータを転用しているため､現状ではコイルに印可する電圧と電流はインバータの制御に依存しており､外部からは印可する交流信号の周波数を操作し､これによって発生力を制御する｡コイル部分には数Aの電流が流れており､安全のために一次鉄心全体を覆うカバーを設けている｡また、コイルの冷却のために､ファンによって強制空冷し、この排気を用いて二次導体をテーブル上に空気浮上させている｡
3.2 試作 2 自由度 LIM の特性計測
二次導体の種類を変えながら試作機の特性を計測した｡ま3. Force display としての 2 自由度 LIM の試作
Force display としての LIM の可能性を検討するため､二図 3 アルミ板 t=1.0 へ生じる並進力、電流と駆動周波数の関係

図 4 二次導体の厚みに対する並進力の変化

図 6 二次導体の素材に対する並進力の変化

図 5 二次導体の面積に対する並進力の変化

図 7 角度情報ず､二次導体に厚さ 1.0mm､100x200mm のアルミ板を用い､印可信号の周波数と上下のコイルが各軸方向に発生する並進力・一次コイル電流の関係を計測した｡ 計測は並進力が最大になる付近では 0.5Hz 単位で、それ以外では 5Hz 刻みで進めた。並進力の測定はアルミ板に糸を貼り付け､これを滑車を介してバネ秤( 最大 100gf 、及び、5kgf の秤)に接続した｡電流はクランプメータでコイル一組の電流を計測した。
図 3 に結果を示す｡ 下側コイルでは最大並進力は 12.5Hz で0.72N、電流の最大値は 10.5Hz で 3.13A となった。これに直行する上側コイルでは最大並進力は 17Hz で約 1.3N で電流は 13Hz で 4.40A となった。ピークを挟んで低い周波数、および高い周波数では、電流と発生力は同様の傾向を示しながら減少している。出力される並進力が上下のコイルで約2倍となったのは、コイルと二次導体の距離が影響していると思われる。
次に、二次導体のアルミ板の厚みと並進力の関係を調べた。LIM では二次導体内に誘導される渦電流と磁界強度の積で並進力が得られるため、二次導体の厚みが特性に大きく影響する。前述の実験と同じ環境と手順で、100x200mmで厚み 0.5, 1.0, 1.5, 2.0mm の4 種類アルミ板を用いて計測した。コイルは出力の大きい上側コイルを用いた。図 4 に計測結果を示す。最大値は厚み 2.0mm のアルミ板に対して3.5N の並進力を 13.5Hz で生じた。一方、厚み 1.5mm では
15Hz で 72N、1.0mm では 14.5Hz で 1.28N、0.5mm では 17Hzで 0.56N のピークをそれぞれ示す。この結果より試作機でも二次導体の厚みの影響が大きいことが確認できた。
また渦電流量は厚さ方向だけでなく二次導体の面積にも影響する。そこで、同じ厚さで半分の面積となる100x100mm のアルミ板でも計測を行った。図 5 に周波数と並進力の関係を示す。周波数 40Hz 付近で厚さ 2.0mm と1.5mm の部材間で並進力の逆転が計測されたが、それ以外はほぼこれまでの結果と同様の傾向が得られた。最大並進力は t=2.0mm の二次導体に対して 16Hz で 1.04N が記録された。これは先に示した倍の面積の部材での 1/3 でしかない。

以下、1.5mm では 14Hz で 0.88N、1.0mm では 19Hz で 0.59N、0.5mm では 19Hz で 0.3Nの最大並進力をそれぞれ記録した。
さらに、同じ磁界でも抵抗率が異なる二次導体に発生する渦電流量は異なり、発生する並進力も異なると考えられた。そこで、銅板と黄銅板を用いて計測を行った。共にアルミとと同じく非磁性体（非透磁率はいずれも 1）であるが、抵抗率は銅はアルミニウムの約半分、黄道は逆にアルミの倍となる。いずれも 100x200mm、厚み 0.5mm の板を用いて同様に実験を行った。図 6 に前の実験で得られたアルミ板の結果とともに並進力の推移を示す。結果は出力の高い順に、銅板が 17Hz で 1.00N、アルミ板が 16Hz で 0.56N、黄銅板が 14.5Hz で 0,21N と、抵抗率の差が最大並進力の差となって現れた。
次に2次元LIM の最大の特徴である任意方向への並進力発生機能を確認した。この LIM では上下のコイルはそれぞれ独立したインバータに接続されており、これを同時駆動して任意方向進行磁界を発生させて、二次導体に任意方向の並進力を発生させる。実験では下側コイルへの出力を50Hz に固定し、徐々に上側コイルの周波数を 0Hz、設定方向への並進力を実現できる駆動周波数に調節した。並進力の方向の計測は二次導体に糸を取り付け、その他端をデスク上に固定し、この糸の角度を計測した。図7は 0度から 45度までの設定角度での上側コイル駆動周波数を示す。これから上下のコイルへの駆動周波数を制御することで、並進力の方向を自由に制御可能であることが確認された。
最後にLIMの最大の弱点である発熱について調べた。特に一次側はコイルがコア内部に実装されているため発生した熱を強制廃熱をせねばならず、試作機ではファンをカバーに設けて空冷を行った。この状態でコイルに熱伝対を取り付け、最大出力を記録した周波数付近の 10-20Hz でインバータを両軸とも駆動した連続運転時の温度計測を行った。結果を図 8 に示す。コイルの導線の絶縁皮膜の耐熱温度が 150 度付近であるため、140 度に達する時間で見ると、最大出力となりる12Hz付近ではもっとも上昇が早く、連続GUI

図 8 温度変化

図 9 独立コイル駆動案

運転では 3 分程度が限界であることが分かった。
以上の結果をまとめると、この試作機で二次側の部材を厚み 0.5mm、100x100mm 程度の銅板を用いれば数 N 程度の操作反力を任意方向へ出力できることが確認できた。出力は部材の厚みや大きさを大きくすれば、さらに増加できる。
これは digital desk としての機能にはなんら障害にはならないため、２次元 LIM をデジタルデスクへの力確提示装置として使用することは十分に可能であると考えられる。
3.3 問題点と対応実験から現状の試作機での課題についても明らかになった。まず実験結果に見られるように並進力のピークと電流のピークを示す周波数が同一部材でも一致していない。これは、インバータの特性、試作装置の精度、計測器具の精度等が原因と考えられるが、特定には至っていない。また
低周波数での駆動時に計測値が安定せず乱れる現象が確認されたが、これはコイルの温度上昇とともに計測値が安定した。汎用のインバータを利用していることも原因と思われるが、現状での周波数による制御の影響が大きいならば、大平らが提案している周波数を固定してコイルへの印可電流によって並進力を制御する方式[12]を検討する。
また、発熱問題についても一次側は土台に設置されており、何らかの冷却方法で安定化させることは可能であるが、二次側の導体部分に生じる発熱は可動部分にケーブルが接続されないメリットを生かす限りは自然放熱に頼るしかない。しかし発生した渦電流のうち並進力に寄与しない部分は電磁調理器と同様に熱として蓄積する。これについては並進力への変換効率が最も高い周波数での駆動と本体の接触部分で何らかの強制冷却手段を実装する。
さらに、現状はデスク面全体に均一にコイルが配置されているため、コイルに印可される電力の殆どが熱・磁界として無駄となっている。また試作機ではコイルピッチが45mmあり、原理上この大きさ以下の二次導体は隣のコイルが発生する磁界の寄与を得られず駆動できない。そして、最大の欠点はデスク上に複数の二次導体をおいても、一様な方向へしか並進力を発生できない。これらの問題を一括して解決する手段として、第二次試作では、図 9 に示すよ
うに、コアのコラム構造部分に小さなコイルをそれぞれ独立に配置して独立駆動する手法を採用する。各コラム構造は単体の磁界源となり、それらを同期して動作させる。各コイルには独立に電流アンプを接続し、PC等かコイル群が形成するデスク上面に部分的に進行磁界を発生するような信号を送る。これによって面内で無駄なく部分集合的に独立して任意方向・任意強度の並進力を発生できる。またこの構造ではコラム長くしてコイルの巻き数を稼げるために、コラムをより密に配置してコラム間距離を縮め、小さな二次導体でも駆動できる。従ってペンや指サックのようなものを介して操作反力として受け取れるようになる。両軸で同じコイルを使うため方向による特性差も無くなり、一次・二次間のギャップもより小さくできる。

4 まとめ
本報告では体験Web構想で用いる体験を再生するためのdigital desk を実現するために､ 2 次元 LIM に着目し､その試作機を製作して特性を評価した｡ 試作装置での評価実験の結果､周波数制御手法によって､最大で約3Nほどの並進力を発生できた｡さらにその方向と強度を独立に制御可能であることが確認された｡現状では安定化､小型化､冷却､そして､独立複数点制御等の問題が残っている｡しかし､いずれも次期試作機において改良を進める目処が立っている｡
謝辞:本研究は通信・放送機構の研究委託 超高速ネット
ワーク社会に向けた新しいインタラクション・、メディアの研究開発 により実施したものである。
参考文献[1] 鉄谷､野間､柳田､他､"体験Webと五感メディア"､情報処理学会研究報告､2000-HI-98, pp.19-24, 2002.
[2] Wellner, "The Digital Desk calculator: Tangible manipulation on adesk top display", ACM UIST '91, pp. 27-34, 1991.
[3] Koike, Sato and Kobayashi, "Integrating paper and digital information on Enhanced Desk: a method for realtime finger tracking on anaugmented desk system", ACM Transactions on Computer-HumanInteraction, Vol. 8, No. 4, pp. 307-322, 2001.
[4] Rekimoto, "SmartSkin: an infrastructure for freehand manipulation
on interactive surfaces." ACM CHI '02, pp. 113 - 120, 2002.
[5] Ullmer and Ishii, "Emerging Frameworks for Tangible User Interfaces", IBM Systems Journal, 39 (3&4). pp. 915-931, 2000.
[6] Patten, Ishii, Hines and Pangaro, "Sensetable: A Wireless Object
Tracking Platform for Tangible User Interfaces", ACM CHI '01, pp.
253-260, 2001.
[7] Piper, Ratt and Ishii, "Illuminating clay: a 3-D tangible interface forlandscape analysis". ACM CHI '02, pp. 355 - 362, 2002.
[8] Brederson, Ikits, Johnson. and Hansen, "The Visual Haptic Workbench", Fifth PHANToM Users Group Workshop '00, pp. 46-49,
2000.
[9] Brave, Ishii and Dahley, "Tangible interfaces for remote collaboration and communication", ACM CSCW '98, pp. 169 - 178, 1998.
[10] 政田､" リニアドライブ技術とその応用 "､ISBN 4-274033643､
オーム社､1991.
[11] 海老原､"活発化するリニアモータ､アクチュエータの産業用利用ーその背景と利用現況ー "､機械設計､Vol. 39､No. 18､pp. 2630, 1995.
[12] 大平､川西､"2方向リニア誘導モータの実験的検討"､計測自動制御学会論文集､ Vol. 19､ No.2 ､ pp.74-79､1983.