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特許7503022容器内の液体の動きを触覚としてユーザに伝達する携帯機器、プログラム及び方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-06-11
(45)【発行日】2024-06-19
(54)【発明の名称】容器内の液体の動きを触覚としてユーザに伝達する携帯機器、プログラム及び方法
(51)【国際特許分類】
G06F 3/01 20060101AFI20240612BHJP
G16Y 10/65 20200101ALI20240612BHJP
【ＦＩ】
G06F3/01 560
G16Y10/65
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2021070818
(22)【出願日】2021-04-20
(65)【公開番号】P2022165478
(43)【公開日】2022-11-01
【審査請求日】2023-07-14
(73)【特許権者】
【識別番号】000208891
【氏名又は名称】ＫＤＤＩ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100135068
【弁理士】
【氏名又は名称】早原 茂樹
(72)【発明者】
【氏名】田島 優輝
【審査官】清藤 弘晃
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１９－０９８２３１（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／０５１６０６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２０１１－５２８５３７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０６Ｆ ３／０１
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ユーザが把持する手に接触し、容器と一体的に又は側面に構成された携帯機器であって、容器内の液体量を模した質量ｍを記憶するメモリと、
容器の水平成分の加速度Ａを検知する加速度センサと、
質量ｍ及び加速度Ａを用いて、当該質量ｍが容器底面に作用する水平力である触覚力Ｆを算出するプロセッサと、
触覚力Ｆを電気信号Ｓoutに変換する駆動手段と、
電気信号に応じた振動力を発生させて、ユーザの手に触覚を伝達するアクチュエータと
を有することを特徴とする携帯機器。
【請求項2】
プロセッサは、容器が、円筒状側面及び球面状底面を有するグラス形状を有し、球面状底面に対する曲率中心が円筒中心の鉛直線上にある、と模して触覚力Ｆを算出することを特徴とする請求項１に記載の携帯機器。
【請求項3】
プロセッサは、質量ｍ(kg)と、加速度Ａ(m/s2)と、当該加速度Ａから所定運動方程式によって得られる質点Ｍの内部流体加速度ａ(m/s2)と、当該内部流体加速度ａから単位時間で積分した質点Ｍの速度ｖ(m/s)と、当該速度ｖから単位時間で積分した質点Ｍの距離ｘ(m)とを用いて、触覚力Ｆ(N)を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の携帯機器。
【請求項4】
メモリは、質量比バネ係数ｋ(N/m・kg)及びダンパ係数ｃ(N/(m/s))を更に記憶し、プロセッサは、バネ－ダンパ振動系モデルをシミュレーションするべく、以下の所定運動方程式によって触覚力Ｆを算出する
ｋ・ｍ・ｘ＋ｃ・ｖ＋ｍ（ａ－Ａ）＝０
Ｆ＝ｋ・ｍ・ｘ＋ｃ・ｖ
ことを特徴とする請求項３に記載の携帯機器。
【請求項5】
駆動手段は、触覚力Ｆ(N)を、以下のように変換した電気信号Ｓout(V)を、アクチュエータへ出力するＳout＝Ｇ・|Ｆ|・Ｓw
Ｇ(1/N)：力比利得(Gain per force)係数
Ｓw(V) ：ホワイトノイズ
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の携帯機器。
【請求項6】
駆動手段は、距離ｘが、容器の円筒中心から内壁までの距離Ｒに達した際に、電気信号Ｓimpact_inに、運動量ｍ・ｖに応じた利得を乗算した電気信号Ｓimpact_outを出力するＳimpact_out＝Ｇimpact・ｍ・||ｖ||・Ｓimpact_in
Ｇimpact(s/N) ：運動量比利得(Gain per momentum)係数
Ｓimpact_in(V)：衝突時入力信号
ことを特徴とする請求項５に記載の携帯機器。
【請求項7】
アクチュエータは、振動を発生するボイスコイル、スピーカ又はピエゾ素子であることを特徴とする請求項６に記載の携帯機器。
【請求項8】
他の携帯機器とネットワークを介して通信可能な通信インタフェースを更に有し、メモリは、通信インタフェースによって他の携帯機器から受信した質量ｍを設定する
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の携帯機器。
【請求項9】
ユーザが把持する手に接触し、容器と一体的に又は側面に構成された携帯機器について、容器内の液体量を模した質量ｍを記憶するメモリを有する当該携帯機器に搭載されたコンピュータを機能させるプログラムであって、コンピュータに、
加速度センサによって、容器の水平成分の加速度Ａを検知する第１のステップと、
質量ｍ及び加速度Ａを用いて、当該質量ｍが容器底面に作用する水平力である触覚力Ｆを算出する第２のステップと、
触覚力Ｆを電気信号Ｓoutに変換する第３のステップと、
アクチュエータによって、電気信号に応じた振動力を発生させて、ユーザの手に触覚を伝達する第４のステップと
を実行させることを特徴とするプログラム。
【請求項10】
ユーザが把持する手に接触し、容器と一体的に又は側面に構成された携帯機器について、容器内の液体量を模した質量ｍを記憶するメモリと、プロセッサとを有する当該携帯機器の触覚発生方法であって、プロセッサに、
加速度センサによって、容器の水平成分の加速度Ａを検知する第１のステップと、
質量ｍ及び加速度Ａを用いて、当該質量ｍが容器底面に作用する水平力である触覚力Ｆを算出する第２のステップと、
触覚力Ｆを電気信号Ｓoutに変換する第３のステップと、
アクチュエータによって、電気信号に応じた振動力を発生させて、ユーザの手に触覚を伝達する第４のステップと
を実行させることを特徴とする触覚発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、疑似的な触覚(Haptics)をユーザに伝達するデバイスの技術に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、樽内に封入された流体の動きをシミュレーションする樽型デバイスの技術がある（例えば非特許文献１参照）。この技術によれば、樽内に３自由度の直線移動機構を備え、一定量の重りの位置を３自由度で移動できるようにしたものである。
樽型デバイスには、トラッキングマーカがアタッチされており、樽型デバイスの位置や傾きがトラッキングされる。ゲームエンジン内の樽容器オブジェクトに、トラッキングの検出値が適用され、樽型デバイスの動きがゲームエンジン内で再現される。そして、シミュレートした流体の重心位置に応じて、樽型デバイスの重りの位置を更新される。これによって、樽内の流体の動きがもたらす触覚刺激が、ユーザに提示される。
樽型デバイスには、トラッキングマーカがアタッチされており、樽型デバイスの位置や傾きがトラッキングされる。ゲームエンジン内の樽容器オブジェクトに、トラッキングの検出値が適用され、樽型デバイスの動きがゲームエンジン内で再現される。そして、シミュレートした流体の重心位置に応じて、樽型デバイスの重りの位置を更新される。これによって、樽内の流体の動きがもたらす触覚刺激が、ユーザに提示される。
【0003】
また、仮想物体の重力や慣性力を、ユーザに触覚的に表現する技術もある（例えば非特許文献２参照）。この技術によれば、複数のモータによってベルトを巻き上げ、指腹にせん断変形や圧迫変形を提示する機構を備える。容器内における物体の動きをシミュレーションし、それによって生じる重力や慣性力を推定することによってベルトの巻き上げ量を制御し、ユーザに触覚を提示する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【文献】Shahabedin Sagheb, etc、「A Shifting-Weight Interface of Simulated Hydrodynamics for Haptic Perception of Virtual Fluid Vessels」、UIST '19: Proceedings of the 32nd Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology, October 2019 Pages 751-761、[online]、［令和３年４月１日検索］、インターネット＜URL:https://dl.acm.org/doi/10.1145/3332165.3347870＞
【文献】南澤孝太ら、「バーチャルな物体の質量および内部ダイナミクスを提示する装着型触力覚ディスプレイ」、日本バーチャルリアリティ学会論文誌 (ISSN:1344011X) vol.13, no.1, pp.15-23, 2008、[online]、［令和３年４月１日検索］、インターネット＜URL:https://ci.nii.ac.jp/naid/110008729079＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
非特許文献１及び２によれば、容器内の物体の動きについて物理シミュレーションを演算する。このような物理シミュレーションをリアルタイムに実行するためには、演算処理能力が高いプロセッサを要する。しかしながら、演算処理能力が高いプロセッサを、ＩｏＴ(Internet Of Things)デバイスのような低廉なハードウェアに搭載することは難しい。
【0006】
そこで、本発明によれば、演算処理能力が高いプロセッサを用いることなく、容器内の液体の動きをシミュレーションし、触覚としてユーザに伝達することができる携帯機器、プログラム及び方法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】
【0007】
本発明によれば、ユーザが把持する手に接触し、容器と一体的に又は側面に構成された携帯機器であって、
容器内の液体量を模した質量ｍを記憶するメモリと、
容器の水平成分の加速度Ａを検知する加速度センサと、
質量ｍ及び加速度Ａを用いて、当該質量ｍが容器底面に作用する水平力である触覚力Ｆを算出するプロセッサと、
触覚力Ｆを電気信号Ｓoutに変換する駆動手段と、
電気信号に応じた振動力を発生させて、ユーザの手に触覚を伝達するアクチュエータと
を有することを特徴とする。
容器内の液体量を模した質量ｍを記憶するメモリと、
容器の水平成分の加速度Ａを検知する加速度センサと、
質量ｍ及び加速度Ａを用いて、当該質量ｍが容器底面に作用する水平力である触覚力Ｆを算出するプロセッサと、
触覚力Ｆを電気信号Ｓoutに変換する駆動手段と、
電気信号に応じた振動力を発生させて、ユーザの手に触覚を伝達するアクチュエータと
を有することを特徴とする。
【0008】
本発明の携帯機器における他の実施形態によれば、
プロセッサは、容器が、円筒状側面及び球面状底面を有するグラス形状を有し、球面状底面に対する曲率中心が円筒中心の鉛直線上にある、と模して触覚力Ｆを算出する
ことも好ましい。
プロセッサは、容器が、円筒状側面及び球面状底面を有するグラス形状を有し、球面状底面に対する曲率中心が円筒中心の鉛直線上にある、と模して触覚力Ｆを算出する
ことも好ましい。
【0009】
本発明の携帯機器における他の実施形態によれば、
プロセッサは、質量ｍ(kg)と、加速度Ａ(m/s2)と、当該加速度Ａから所定運動方程式によって得られる質点Ｍの内部流体加速度ａ(m/s2)と、当該内部流体加速度ａから単位時間で積分した質点Ｍの速度ｖ(m/s)と、当該速度ｖから単位時間で積分した質点Ｍの距離ｘ(m)とを用いて、触覚力Ｆ(N)を算出する
ことも好ましい。
プロセッサは、質量ｍ(kg)と、加速度Ａ(m/s2)と、当該加速度Ａから所定運動方程式によって得られる質点Ｍの内部流体加速度ａ(m/s2)と、当該内部流体加速度ａから単位時間で積分した質点Ｍの速度ｖ(m/s)と、当該速度ｖから単位時間で積分した質点Ｍの距離ｘ(m)とを用いて、触覚力Ｆ(N)を算出する
ことも好ましい。
【0010】
本発明の携帯機器における他の実施形態によれば、
メモリは、質量比バネ係数ｋ(N/m・kg)及びダンパ係数ｃ(N/(m/s))を更に記憶し、
プロセッサは、バネ－ダンパ振動系モデルをシミュレーションするべく、以下の所定運動方程式によって触覚力Ｆを算出する
ｋ・ｍ・ｘ＋ｃ・ｖ＋ｍ（ａ－Ａ）＝０
Ｆ＝ｋ・ｍ・ｘ＋ｃ・ｖ
ことも好ましい。
メモリは、質量比バネ係数ｋ(N/m・kg)及びダンパ係数ｃ(N/(m/s))を更に記憶し、
プロセッサは、バネ－ダンパ振動系モデルをシミュレーションするべく、以下の所定運動方程式によって触覚力Ｆを算出する
ｋ・ｍ・ｘ＋ｃ・ｖ＋ｍ（ａ－Ａ）＝０
Ｆ＝ｋ・ｍ・ｘ＋ｃ・ｖ
ことも好ましい。
【0011】
本発明の携帯機器における他の実施形態によれば、
駆動手段は、触覚力Ｆ(N)を、以下のように変換した電気信号Ｓout(V)を、アクチュエータへ出力する
Ｓout＝Ｇ・|Ｆ|・Ｓw
Ｇ(1/N)：力比利得(Gain per force)係数
Ｓw(V) ：ホワイトノイズ
ことも好ましい。
駆動手段は、触覚力Ｆ(N)を、以下のように変換した電気信号Ｓout(V)を、アクチュエータへ出力する
Ｓout＝Ｇ・|Ｆ|・Ｓw
Ｇ(1/N)：力比利得(Gain per force)係数
Ｓw(V) ：ホワイトノイズ
ことも好ましい。
【0012】
本発明の携帯機器における他の実施形態によれば、
駆動手段は、距離ｘが、容器の円筒中心から内壁までの距離Ｒに達した際に、電気信号Ｓimpact_inに、運動量ｍ・ｖに応じた利得を乗算した電気信号Ｓimpact_outを出力する
Ｓimpact_out＝Ｇimpact・ｍ・||ｖ||・Ｓimpact_in
Ｇimpact(s/N) ：運動量比利得(Gain per momentum)係数
Ｓimpact_in(V)：衝突時入力信号
ことも好ましい。
駆動手段は、距離ｘが、容器の円筒中心から内壁までの距離Ｒに達した際に、電気信号Ｓimpact_inに、運動量ｍ・ｖに応じた利得を乗算した電気信号Ｓimpact_outを出力する
Ｓimpact_out＝Ｇimpact・ｍ・||ｖ||・Ｓimpact_in
Ｇimpact(s/N) ：運動量比利得(Gain per momentum)係数
Ｓimpact_in(V)：衝突時入力信号
ことも好ましい。
【0013】
本発明の携帯機器における他の実施形態によれば、
アクチュエータは、振動を発生するボイスコイル、スピーカ又はピエゾ素子であってもよい。
アクチュエータは、振動を発生するボイスコイル、スピーカ又はピエゾ素子であってもよい。
【0014】
本発明の携帯機器における他の実施形態によれば、
他の携帯機器とネットワークを介して通信可能な通信インタフェースを更に有し、
メモリは、通信インタフェースによって他の携帯機器から受信した質量ｍを設定する
ことも好ましい。
他の携帯機器とネットワークを介して通信可能な通信インタフェースを更に有し、
メモリは、通信インタフェースによって他の携帯機器から受信した質量ｍを設定する
ことも好ましい。
【0015】
本発明によれば、ユーザが把持する手に接触し、容器と一体的に又は側面に構成された携帯機器について、容器内の液体量を模した質量ｍを記憶するメモリを有する当該携帯機器に搭載されたコンピュータを機能させるプログラムであって、
コンピュータに、
加速度センサによって、容器の水平成分の加速度Ａを検知する第１のステップと、
質量ｍ及び加速度Ａを用いて、当該質量ｍが容器底面に作用する水平力である触覚力Ｆを算出する第２のステップと、
触覚力Ｆを電気信号Ｓoutに変換する第３のステップと、
アクチュエータによって、電気信号に応じた振動力を発生させて、ユーザの手に触覚を伝達する第４のステップと
を実行させることを特徴とする。
コンピュータに、
加速度センサによって、容器の水平成分の加速度Ａを検知する第１のステップと、
質量ｍ及び加速度Ａを用いて、当該質量ｍが容器底面に作用する水平力である触覚力Ｆを算出する第２のステップと、
触覚力Ｆを電気信号Ｓoutに変換する第３のステップと、
アクチュエータによって、電気信号に応じた振動力を発生させて、ユーザの手に触覚を伝達する第４のステップと
を実行させることを特徴とする。
【0016】
本発明によれば、ユーザが把持する手に接触し、容器と一体的に又は側面に構成された携帯機器について、容器内の液体量を模した質量ｍを記憶するメモリと、プロセッサとを有する当該携帯機器の触覚発生方法であって、
プロセッサに、
加速度センサによって、容器の水平成分の加速度Ａを検知する第１のステップと、
質量ｍ及び加速度Ａを用いて、当該質量ｍが容器底面に作用する水平力である触覚力Ｆを算出する第２のステップと、
触覚力Ｆを電気信号Ｓoutに変換する第３のステップと、
アクチュエータによって、電気信号に応じた振動力を発生させて、ユーザの手に触覚を伝達する第４のステップと
を実行させることを特徴とする触覚発生方法。
プロセッサに、
加速度センサによって、容器の水平成分の加速度Ａを検知する第１のステップと、
質量ｍ及び加速度Ａを用いて、当該質量ｍが容器底面に作用する水平力である触覚力Ｆを算出する第２のステップと、
触覚力Ｆを電気信号Ｓoutに変換する第３のステップと、
アクチュエータによって、電気信号に応じた振動力を発生させて、ユーザの手に触覚を伝達する第４のステップと
を実行させることを特徴とする触覚発生方法。
【発明の効果】
【0017】
本発明の携帯機器、プログラム及び方法によれば、演算処理能力が高いプロセッサを用いることなく、容器内の液体の動きをシミュレーションし、触覚としてユーザに伝達することができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本発明における携帯機器同士で通信するシステム構成図である。
【図2】本発明における携帯機器の機能構成図である。
【図3】本発明の携帯機器における重力の説明図である。
【図4】本発明の携帯機器における触覚力の説明図である。
【図5】本発明の携帯機器における駆動部からの電気信号の説明図である。
【図6】容器側面に装着された本発明の携帯機器の外観図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下では、図面を用いて、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
【0020】
図１は、本発明における携帯機器同士で通信するシステム構成図である。
【0021】
図１によれば、携帯機器１は、ユーザが把持する手に接触し、容器内の液体の動きを触覚刺激としてユーザに伝達する。携帯機器１としては、液体（流体物）を注入可能なグラスやコップのような容器形状を有する。ユーザは、容器形状の携帯機器１を把持して左右に揺らすことによって、その容器内の液体の動きを自らの手で触覚的に感じることができる。
【0022】
図１によれば、ユーザａが所持するユーザ端末２と、ユーザｂが所持するユーザ端末との間をネットワークで接続したビデオ会議システムによって、ユーザ同士でオンライン呑み会をしているとする。ユーザａは携帯機器１を把持し、ユーザｂは遠隔機器を把持している。このとき、ユーザａの携帯機器１は、ユーザ端末２に接続することによって、ユーザｂの遠隔機器と通信することができる。
【0023】
例えば対面の呑み会の場合、参加者同士が協調的に動作をする場合がある。具体的には、参加者全員で「乾杯」したり、参加者同士の「お酌」のような行為がなされる。
ここで、遠隔にありながら、例えばユーザｂが、遠隔機器のボトルを、ユーザａの携帯機器１のグラスへお酌するような仕草をすることによって、携帯機器１は、遠隔機器から注入されたと想定される「質量ｍ」を受信することもできる。これによって、ユーザａは、容器形状の携帯機器１に注入されたと想定される質量ｍの液体の動きを、触覚的に感じることができる。このとき、質量ｍの変化に応じて、ユーザが触覚的に感じる量も変化させることもでき、リアルなコミュニケーションを体現することができる。
図１のようなシステムは、オンラインによる遠隔にありながら、容器形状の携帯機器１を把持するユーザに、少しでも高い臨場感のコミュニケーションを体現させることができる。
ここで、遠隔にありながら、例えばユーザｂが、遠隔機器のボトルを、ユーザａの携帯機器１のグラスへお酌するような仕草をすることによって、携帯機器１は、遠隔機器から注入されたと想定される「質量ｍ」を受信することもできる。これによって、ユーザａは、容器形状の携帯機器１に注入されたと想定される質量ｍの液体の動きを、触覚的に感じることができる。このとき、質量ｍの変化に応じて、ユーザが触覚的に感じる量も変化させることもでき、リアルなコミュニケーションを体現することができる。
図１のようなシステムは、オンラインによる遠隔にありながら、容器形状の携帯機器１を把持するユーザに、少しでも高い臨場感のコミュニケーションを体現させることができる。
【0024】
図２は、本発明における携帯機器の機能構成図である。
【0025】
図２によれば、携帯機器１は、容器と一体的に構成されており、ユーザが把持する手に接触するものである。
携帯機器１は、メモリ１００と、通信インタフェース１０１と、加速度センサ１１と、プロセッサ１２と、駆動部１３と、アクチュエータ１４とを有する。これら機能デバイスは、プロセッサを機能させるプログラムとして実行されるものであってもよい。また、これら機能デバイスの処理の流れは、携帯機器の触覚発生方法としても理解できる。
携帯機器１は、メモリ１００と、通信インタフェース１０１と、加速度センサ１１と、プロセッサ１２と、駆動部１３と、アクチュエータ１４とを有する。これら機能デバイスは、プロセッサを機能させるプログラムとして実行されるものであってもよい。また、これら機能デバイスの処理の流れは、携帯機器の触覚発生方法としても理解できる。
【0026】
［通信インタフェース１０１］
通信インタフェース１０１は、他の携帯機器とネットワークを介して通信する。例えば通信インタフェース１０１は、Bluetooth（登録商標）又は無線ＬＡＮ(Local Area Network）によって、ユーザ端末２に接続するものであってもよい。ユーザ端末２は、広域ネットワークを介して、他のユーザが所持するユーザ端末や遠隔機器と通信することができる。
通信インタフェース１０１は、他の携帯機器とネットワークを介して通信する。例えば通信インタフェース１０１は、Bluetooth（登録商標）又は無線ＬＡＮ(Local Area Network）によって、ユーザ端末２に接続するものであってもよい。ユーザ端末２は、広域ネットワークを介して、他のユーザが所持するユーザ端末や遠隔機器と通信することができる。
【0027】
［メモリ１００］
メモリ１００は、容器内の液体量を模した「質量ｍ」を記憶する。
質量ｍ(kg)は、予め固定的に設定されたものであってもよいし、通信インタフェース１０１によって他の携帯機器から受信した値を設定したものであってもよい。質量ｍは、例えば遠隔のユーザにおける「お酌」の仕草におけるボトル（遠隔機器）の傾きから、お酌された液体量として想定されたものであってもよい。即ち、質量ｍは、インタラクティブに更新されるものである。本発明によれば後述するように、質量ｍに応じて触覚力Ｆが変化し、尤もらしい「お酌された」体感をユーザに伝達することができる。
メモリ１００は、容器内の液体量を模した「質量ｍ」を記憶する。
質量ｍ(kg)は、予め固定的に設定されたものであってもよいし、通信インタフェース１０１によって他の携帯機器から受信した値を設定したものであってもよい。質量ｍは、例えば遠隔のユーザにおける「お酌」の仕草におけるボトル（遠隔機器）の傾きから、お酌された液体量として想定されたものであってもよい。即ち、質量ｍは、インタラクティブに更新されるものである。本発明によれば後述するように、質量ｍに応じて触覚力Ｆが変化し、尤もらしい「お酌された」体感をユーザに伝達することができる。
【0028】
また、メモリ１００は、後述するバネ－ダンパ振動系モデルの運動モデルとして、「質量比バネ係数ｋ」及び「ダンパ係数ｃ」を更に記憶することも好ましい。ここで、質量比バネ係数ｋは、質量ｍに応じて設定されるものである。
【0029】
［加速度センサ１１］
加速度センサ１１は、携帯機器１に対する加速度Ａ(m/s2)を、リアルタイムに検知する。加速度センサ１１は、一般的なスマートフォンやタブレット端末に搭載されたようなものである。
加速度とは、単位時間当たりの速度の変化である。本発明の加速度センサ１１は、携帯機器の揺れを検出する必要があるために、少なくとも水平成分（ｘ、ｙ軸）の加速度Ａが得られればよい。
Ａ＝［Ａx Ａy］
加速度センサ１１は、検知した加速度Ａ(m/s2)を、プロセッサ１２へ出力する。
加速度センサ１１は、携帯機器１に対する加速度Ａ(m/s2)を、リアルタイムに検知する。加速度センサ１１は、一般的なスマートフォンやタブレット端末に搭載されたようなものである。
加速度とは、単位時間当たりの速度の変化である。本発明の加速度センサ１１は、携帯機器の揺れを検出する必要があるために、少なくとも水平成分（ｘ、ｙ軸）の加速度Ａが得られればよい。
Ａ＝［Ａx Ａy］
加速度センサ１１は、検知した加速度Ａ(m/s2)を、プロセッサ１２へ出力する。
【0030】
［プロセッサ１２］
プロセッサ１２は、メモリ１００の質量ｍ(kg)と、加速度センサ１１の加速度Ａ(m/s2)とを用いて、当該質量ｍが容器底面に作用する水平力である「触覚力Ｆ」を算出する。触覚力Ｆは、流体が容器底面を押す力における水平方向の分力である。結果的に、触覚力Ｆは、携帯機器１の容器内で想定される液体の動きを、携帯機器１を把持するユーザの手に触覚的に感じさせる力、となる。
算出された触覚力Ｆは、駆動部１３へ出力される。
プロセッサ１２は、メモリ１００の質量ｍ(kg)と、加速度センサ１１の加速度Ａ(m/s2)とを用いて、当該質量ｍが容器底面に作用する水平力である「触覚力Ｆ」を算出する。触覚力Ｆは、流体が容器底面を押す力における水平方向の分力である。結果的に、触覚力Ｆは、携帯機器１の容器内で想定される液体の動きを、携帯機器１を把持するユーザの手に触覚的に感じさせる力、となる。
算出された触覚力Ｆは、駆動部１３へ出力される。
【0031】
ここで、本発明によれば、触覚力Ｆを物理的にシミュレーションすべき演算量が少ない、ことに特徴がある。これによって、極めて低廉なマイクロコンピュータ（例えばEspressif社ESP32）であっても、十分にリアルタイムな演算が可能となる。具体的には、触覚力Ｆのシミュレーションが、物理モデルの更新頻度100Hz以上で且つ演算頻度32kHz以上で可能となる。
そのために、従来、リアルタイムな触覚力Ｆの物理的なシミュレーションに、演算処理能力が高いプロセッサを必要としていたのに対し、本発明によれば、極めて低廉なプロセッサしか必要としない。これによって、一般的なＩｏＴデバイスにも十分に実装可能となる。
そのために、従来、リアルタイムな触覚力Ｆの物理的なシミュレーションに、演算処理能力が高いプロセッサを必要としていたのに対し、本発明によれば、極めて低廉なプロセッサしか必要としない。これによって、一般的なＩｏＴデバイスにも十分に実装可能となる。
【0032】
図３は、本発明の携帯機器における重力の説明図である。
【0033】
プロセッサ１２は、携帯機器１が想定する容器が、図３のような液体を注入可能な円筒状側面及び球面状底面を有するグラス形状である、としてシミュレーションする。液体は、容器内で、容器底面に沿って運動する。
また、球面状底面に対する曲率中心は、円筒中心の鉛直線（ｚ軸）上にあると想定する。曲率中心から、曲率半径ｒの先に底面があると仮定する。
また、球面状底面に対する曲率中心は、円筒中心の鉛直線（ｚ軸）上にあると想定する。曲率中心から、曲率半径ｒの先に底面があると仮定する。
【0034】
これによって、容器内の液体の動きを、最大２次元の「バネ－ダンパ振動系モデルの運動モデル」として簡易にシミュレーションすることができる。演算量を極めて少なくすることによって、低廉なプロセッサ１２でもリアルタイムな触覚力Ｆの演算を可能としている。
曲率中心から質点Ｍへの角度θ
曲率中心から質点Ｍへの長さｒ(m)
距離ｘ(m)（＝ｒsinθ）
垂直方向の重力ｍｇ
質量比バネ係数ｋ(N/m・kg)
ダンパ係数ｃ(N/(m/s))
曲率中心から質点Ｍへの角度θ
曲率中心から質点Ｍへの長さｒ(m)
距離ｘ(m)（＝ｒsinθ）
垂直方向の重力ｍｇ
質量比バネ係数ｋ(N/m・kg)
ダンパ係数ｃ(N/(m/s))
【0035】
プロセッサ１２は、バネ－ダンパ振動系モデルをシミュレーションするべく、以下の所定運動方程式によって触覚力Ｆ(N)を算出する
ｋ・ｍ・ｘ＋ｃ・ｖ＋ｍ（ａ－Ａ）＝０
Ｆ＝ｋ・ｍ・ｘ＋ｃ・ｖ
ｋ・ｍ・ｘ＋ｃ・ｖ＋ｍ（ａ－Ａ）＝０
Ｆ＝ｋ・ｍ・ｘ＋ｃ・ｖ
【0036】
ここで、質点Ｍの（ｘ軸の）内部流体加速度ａ(m/s2)は、加速度センサ１１によって検知された加速度Ａ(m/s2)（水平成分）を所定運動方程式に代入し、質点Ｍのｘ軸の内部流体加速度ａについて解くことによって算出される。
また、質点Ｍのｘ軸の速度ｖ(m/s)は、質点Ｍのｘ軸の内部流体加速度aの単位時間の積分によって得られる。
更に、質点Ｍのｘ軸の距離ｘ(m)は、質点Ｍのｘ軸の速度ｖの単位時間の積分によって得られる。
また、質点Ｍのｘ軸の速度ｖ(m/s)は、質点Ｍのｘ軸の内部流体加速度aの単位時間の積分によって得られる。
更に、質点Ｍのｘ軸の距離ｘ(m)は、質点Ｍのｘ軸の速度ｖの単位時間の積分によって得られる。
【0037】
所定運動方程式の初期状態では、質点Ｍのｘ軸の加速度ａと、ｘ軸の速度ｖと、ｘ軸の距離ｘとは、０となる。ここで、携帯機器１が加速度Ａで動かされたとき、慣性力で質量ｍがその場に留まろうとするために、容器内の座標系から見れば、加速度Ａの逆方向の相対加速度で動いているように見える。結果として、以下のように表される。
Ｆ＝ｋ・ｍ・ｘ＋ｃ・ｖ－ｍ（ａ－Ａ）＝０
Ｆ＝ｋ・ｍ・ｘ＋ｃ・ｖ－ｍ（ａ－Ａ）＝０
【0038】
図４は、本発明の携帯機器における触覚力の説明図である。
【0039】
図４によれば、質量ｍが、鉛直線から距離ｘの底面位置にあると仮定したとき、触覚力Ｆは、曲率中心と質量ｍが結ぶ半径ｒと、ｚ軸が作る角度θとから、以下のように表される。
Ｆ＝ｍｇcos（90°－θ）cosθ
＝ｍｇ／２・sin２θ
ここで、曲率中心から容器底面までの半径ｒが十分に大きく、且つ、底面の任意の位置にあって２θが十分小さい場合、sin２θは、ほぼ２θと表すことができる。その場合、以下のように表すことができる。
Ｆ＝ｍｇ・ｘ／ｒ
このように、ｘ軸方向の運動は、容器底面の中心部からのｘ軸の距離ｘに比例した求心力を伴うバネ機構とみなす、ことができる。また、流体の運動による摩擦減衰を考慮することで、容器底面におけるｘ軸の運動は、バネ－ダンパ振動系モデルとして考えることができる。
Ｆ＝ｍｇcos（90°－θ）cosθ
＝ｍｇ／２・sin２θ
ここで、曲率中心から容器底面までの半径ｒが十分に大きく、且つ、底面の任意の位置にあって２θが十分小さい場合、sin２θは、ほぼ２θと表すことができる。その場合、以下のように表すことができる。
Ｆ＝ｍｇ・ｘ／ｒ
このように、ｘ軸方向の運動は、容器底面の中心部からのｘ軸の距離ｘに比例した求心力を伴うバネ機構とみなす、ことができる。また、流体の運動による摩擦減衰を考慮することで、容器底面におけるｘ軸の運動は、バネ－ダンパ振動系モデルとして考えることができる。
【0040】
勿論、液体が注入された容器の側面は、一般的にグラスやコップのような円周（回転体）であるために、水平成分であるｘ軸とｙ軸とは同一の物理モデルとして考えることができる。
Ｆx＝ｋ・ｍ・ｘ＋ｃ・ｖx
Ｆy＝ｋ・ｍ・ｙ＋ｃ・ｖy
Ｆ＝［Ｆx Ｆy］
Ｆx＝ｋ・ｍ・ｘ＋ｃ・ｖx
Ｆy＝ｋ・ｍ・ｙ＋ｃ・ｖy
Ｆ＝［Ｆx Ｆy］
【0041】
［駆動部１３］
駆動部１３は、触覚力Ｆを電気信号Ｓoutに変換する。電気信号Ｓoutとしては、アクチュエータ１４が、振動子の場合には電圧値であり、モータの場合には駆動信号であってもよい。そして、駆動部１３は、生成した電気信号Ｓoutを、アクチュエータ１４へ出力する。
駆動部１３は、触覚力Ｆを電気信号Ｓoutに変換する。電気信号Ｓoutとしては、アクチュエータ１４が、振動子の場合には電圧値であり、モータの場合には駆動信号であってもよい。そして、駆動部１３は、生成した電気信号Ｓoutを、アクチュエータ１４へ出力する。
【0042】
図５は、本発明の携帯機器における駆動部からの電気信号の説明図である。
【0043】
液体の運動は細かい粒子の連続であるため、幅広い周波数帯域を含んだ作用力を生成すると想定する。そのために、本発明によれば、駆動部１３は、ホワイトノイズＳwを基本信号とし、容器に作用する触覚力Ｆ(N)に応じて、ホワイトノイズにゲインＧを乗算した電気信号Ｓout(V)を、以下のように生成する。
Ｓout＝Ｇ・|Ｆ|・Ｓw
Ｇ(1/N)：力比利得(Gain per force)係数
Ｓw(V) ：ホワイトノイズ
Ｓout＝Ｇ・|Ｆ|・Ｓw
Ｇ(1/N)：力比利得(Gain per force)係数
Ｓw(V) ：ホワイトノイズ
【0044】
駆動部１３は、アクチュエータ１４が例えばモータのような動的な力を出力する場合、触覚力Ｆに応じて電気信号を生成すればよい。一方で、アクチュエータ１４がボイスコイルのような振動子であれば、振動子と触覚力Ｆの周波数特性とが大きく異なるために、そのまま電気信号として使用しても、所望の触感を提示することができない。その場合、触覚力Ｆに応じた電気信号を、振動子に対応するように変換して出力する。
【0045】
尚、加速度センサ１１によって検知される加速度Ａが一定の場合（例えばデバイスを静止させた場合）、|Ｆ|も一定値になるために、触覚力Ｆによって伝達される触覚も低質化する。例えば静力を提示可能なアクチュエータであれば、コップを傾けて提示させる場合、その重量感のみを提示することができる。一方で、振動子では、振動信号に触覚力Ｆに応じたゲインがかけられているため、容器を動かしていないのに振動を感じる、といった事象が生じる。そのために、|Ｆ|に、ハイパスフィルタ等を使用して低域成分を除去することも好ましい。
【0046】
質量ｍまでの距離ｘが、容器の円筒中心（鉛直線）から内壁までの距離Ｒに達した際に生じると、容器内壁との衝突により衝突力を持った触感が体感されると想定される。勿論、閾値となる距離Ｒは、容器の大きさによって設定される。ここで、距離Ｒは、携帯機器１毎に、固定的に設定されるものであってもよいし、ユーザによって設定可能なものであってもよい。
【0047】
衝突時の触覚は、その衝突の大きさに比例した触覚が体感されると予想される。衝突時に、液体をシミュレーションする質量系の運動量が０になると仮定すると、衝突を表現する電気信号Ｓoutに運動量に応じたゲインＧを乗算することで、より真に近い触感が表現される。出力される電気信号Ｓimpactは、ｘ軸及びｙ軸の速度ｖを用いて、以下のように表される。
駆動部１３は、距離ｘが、容器の円筒中心から内壁までの距離Ｒに達した際に、電気信号Ｓoutに、運動量ｍ・ｖに応じた利得を乗算した電気信号Ｓimpactを出力する。
Ｓimpact_out＝Ｇimpact・ｍ・||ｖ||・Ｓimpact_in
ｖ＝［ｖx ｖy］
勿論、ｘ軸及びｙ軸の２次元についてのシミュレーションに限られず、ｘ軸のみ又はｙ軸のみの単軸についてのシミュレーションであってもよい。
駆動部１３は、距離ｘが、容器の円筒中心から内壁までの距離Ｒに達した際に、電気信号Ｓoutに、運動量ｍ・ｖに応じた利得を乗算した電気信号Ｓimpactを出力する。
Ｓimpact_out＝Ｇimpact・ｍ・||ｖ||・Ｓimpact_in
ｖ＝［ｖx ｖy］
勿論、ｘ軸及びｙ軸の２次元についてのシミュレーションに限られず、ｘ軸のみ又はｙ軸のみの単軸についてのシミュレーションであってもよい。
【0048】
［アクチュエータ１４］
アクチュエータ１４は、電気信号に応じた振動力を発生させて、ユーザの手に触覚を伝達する。
アクチュエータ１４は、一般的なスマートフォンやタブレット端末に搭載されている振動モジュールである。振動を発生するボイスコイル又はスピーカであってもよい。
前述した従来技術としての非特許文献１及び２によれば、モータ等を用いて静的な力を出力可能な機構を必要とする。比較的高い電力消費を伴うために、バッテリの観点からも、例えばスマートフォンのような携帯端末であっても難しい。これに対し、本発明によれば、アクチュエータ１４としてボイスコイルやスピーカを用いるために、電力消費も低くすることができる。
アクチュエータ１４は、電気信号に応じた振動力を発生させて、ユーザの手に触覚を伝達する。
アクチュエータ１４は、一般的なスマートフォンやタブレット端末に搭載されている振動モジュールである。振動を発生するボイスコイル又はスピーカであってもよい。
前述した従来技術としての非特許文献１及び２によれば、モータ等を用いて静的な力を出力可能な機構を必要とする。比較的高い電力消費を伴うために、バッテリの観点からも、例えばスマートフォンのような携帯端末であっても難しい。これに対し、本発明によれば、アクチュエータ１４としてボイスコイルやスピーカを用いるために、電力消費も低くすることができる。
【0049】
図６は、容器側面に装着された本発明の携帯機器の外観図である。
【0050】
図６によれば、携帯機器１は、容器と一体的に構成されることなく、容器の側面に構成され、ユーザが把持する手に接触する。これによって、ユーザが日常的に使用するグラス（カップやジョッキ、ボトルなど）であっても、ユーザに液体の動きの触覚を表現することができる。
【0051】
なお、これにより、例えば無線アクセスネットワークにおける総合的なサービス品質の向上を実現することができることから、国連が主導する持続可能な開発目標（SDGs）の目標９「レジリエントなインフラを整備し、持続可能な産業化を推進するとともに、イノベーションの拡大を図る」に貢献することが可能となる。
【0052】
以上、詳細に説明したように、本発明の携帯機器、プログラム及び方法によれば、演算処理能力が高いプロセッサを用いることなく、容器内の液体の動きをシミュレーションし、触覚としてユーザに伝達することができる。
従来、リアルタイムな触覚力Ｆの物理的なシミュレーションに、演算処理能力が高いプロセッサを必要としていたのに対し、本発明によれば、極めて低廉なプロセッサしか必要としない。これによって、一般的なＩｏＴデバイスにも十分に実装可能となる。
従来、リアルタイムな触覚力Ｆの物理的なシミュレーションに、演算処理能力が高いプロセッサを必要としていたのに対し、本発明によれば、極めて低廉なプロセッサしか必要としない。これによって、一般的なＩｏＴデバイスにも十分に実装可能となる。
【0053】
前述した本発明における種々の実施形態によれば、当業者は、本発明の技術思想及び見地の範囲における種々の変更、修正及び省略を容易に行うことができる。前述の説明はあくまで例であって、何ら制約しようとするものではない。本発明は、特許請求の範囲及びその均等物として限定するものにのみ制約される。
【符号の説明】
【0054】
１ 携帯機器
１００ メモリ
１０１ 通信インタフェース
１１ 加速度センサ
１２ プロセッサ
１３ 駆動部
１４ アクチュエータ
２ ユーザ端末
１００ メモリ
１０１ 通信インタフェース
１１ 加速度センサ
１２ プロセッサ
１３ 駆動部
１４ アクチュエータ
２ ユーザ端末
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】