JPH09155785A - 触覚呈示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】人が対象物の触覚情報を直感的に知覚できる触
覚呈示装置を提供する。 【解決手段】対象物との接触状態を検出してその接触状
態を示す信号を出力するセンサ２と、検出した接触状態
を示す信号を対象物の触覚情報に変換して出力する信号
処理回路３と、この信号処理回路３により出力された触
覚情報を人の知覚特性に対応した任意波形の触覚信号に
変換して発生する触覚信号発生回路４と、この触覚信号
を人に知覚しうる触知覚情報に変換して人に伝達するボ
イスコイルモータ５とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、対象物の触覚情報
を機械的な刺激により人に伝達する触覚呈示装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】触覚呈示装置は、例えば特開平６−１８
３４１号公報に記載の触覚伝達装置に示されているよう
に、アレイ状に取り付けられた複数個の圧電アクチュエ
ータからなる触覚伝達部と、圧電アクチュエータにそれ
ぞれ交流電力を供給する制御部と、触覚情報を記憶した
コンピュータなどからなる制御装置とから構成されてい
る。このような構成において、制御部は、制御装置から
与えられる触覚情報に基づいて各圧電アクチュエータに
供給する交流電力の電圧、周波数を制御することによっ
て、圧電アクチュエータの振動の振幅、周波数を制御し
て、同一の圧電アクチュエータで振幅と周波数の多次元
情報を伝達するようにしたので、例えば面圧と面の凹凸
の触覚情報が同時に伝達できる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来技術では、アクチュエータの駆動信号は正弦波あ
るいは矩形波のみであり、その周波数と振幅を変えるこ
とで触覚情報を表現しているために、非常に限られた範
囲でしか触覚情報が伝達できない。また、このような信
号は人の知覚特性に対応した信号とは限らないので、触
覚呈示装置から伝達される全ての情報の意味あいを人が
直感的に理解することは難しく、使用にあたって予め使
用者が訓練されていることが必要となる。

【０００４】一方、人の知覚特性に対応した任意波形を
発生することによって、直感的に知覚可能で、かつ広範
囲な触覚情報の伝達が実現できると考えられるが、従来
技術は、人の知覚特性に対応した任意波形の発生という
観点について記載していない。

【０００５】本発明はこのような課題に着目してなされ
たものであり、その目的とするところは、人の知覚特性
に対応した任意波形を制御、発生することによって、人
が対象物の触覚情報を直感的に知覚できる触覚呈示装置
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の触覚呈示装置は、対象物との接触状態を
検出してその接触状態を示す信号を出力する検出手段
と、この検出手段によって検出した接触状態を示す信号
を対象物の触覚情報に変換して出力する信号処理手段
と、この信号処理手段により出力された触覚情報を人の
知覚特性に対応した任意波形の触覚信号に変換して発生
する触覚信号発生手段と、前記触覚信号を人に知覚しう
る触知覚情報に変換して人に伝達する触知覚情報伝達手
段とを具備する。

【０００７】すなわち、本発明の触覚呈示装置は、対象
物との接触状態を検出手段によって検出してその接触状
態を示す信号を出力する。次に、検出した接触状態を示
す信号を信号処理手段によって対象物の触覚情報に変換
して出力し、この信号処理手段により出力された触覚情
報を触覚信号発生手段によって人の知覚特性に対応した
任意波形の触覚信号に変換して発生する。そして、この
触覚信号を触知覚情報伝達手段によって人に知覚しうる
触知覚情報に変換して人に伝達する。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の実
施形態を詳細に説明する。図１は本発明の第１実施形態
に係る触覚呈示装置の構成を示す図である。図１におい
て、触覚呈示装置１は、対象物との接触状態を検出し
て、接触状態信号を出力する検出手段であるセンサ２
と、このセンサ２により検出した接触状態信号を対象物
の触覚情報Ｘに変換して出力する信号処理手段である信
号処理回路３と、この信号処理回路３からの触覚情報Ｘ
に基づいて触覚信号Ｖを発生する触覚信号発生手段であ
る触覚信号発生回路４と、発生された触覚信号Ｖを人に
伝達する触知覚情報伝達手段であるボイスコイルモータ
５とからなる。

【０００９】触覚信号発生回路４は、触覚信号の立ち上
がり時間ｔｕ及び立ち下がり時間ｔｄ、振幅Ａ、周期Ｔ
の各値が知覚化関数としてあらかじめ記憶され、信号処
理回路３からの触覚情報Ｘを入力として受けて、この入
力信号に対応する触覚信号の立ち上がり時間ｔｕ及び立
ち下がり時間ｔｄ、振幅Ａ、周期Ｔの各値が格納してあ
るアドレスを検索して出力する出力テーブル１５と、こ
の出力テーブル１５からの出力に基づいて任意波形定義
時間ｔ0 ，ｔ1 ，…，ｔn を算出する波形定義時間算出
部１１とを有する信号変換手段６と、この信号変換手段
６に接続された任意波形発生器７とからなる。ここで、
知覚化関数とは、対象物の触覚情報に対応した触覚呈示
を行うときに、対象物の触覚情報を触覚呈示装置の駆動
パラメータ（立ち上がり時間ｔｕ、立ち下がり時間ｔ
ｄ、振幅Ａ及び信号の周期Ｔ）に変換するための関数を
意味する。

【００１０】任意波形発生器７は、出力テーブル１５及
び波形定義時間算出部１１からの各信号パラメータＴ，
Ａ，ｔｕ，ｔｄ，ｔ0 ，ｔ1 ，…，ｔn を受けて触覚信
号Ｖを発生する。そして、任意波形発生器７から出力さ
れた触覚信号Ｖは、ボイスコイルモータ５によって最終
的に機械的な振動として人に伝達される。

【００１１】図２は、信号変換手段４によって決定され
る各信号パラメータＴ，ｔｕ，ｔｄ，Ａ，ｔ0 ，ｔ1
…，ｔn と、ボイスコイルモータ５に対して出力される
触覚信号Ｖの振幅との関係を表す一例である。この触覚
信号Ｖは、センサ２で検出される物理量に応じた信号パ
ラメータＴ，ｔ，Ａ，ｔ0 ，ｔ1 ，…，ｔn によって決
定されるものであるから、触覚信号Ｖの波形は対象物の
触覚情報によって異なる。また，触覚信号Ｖの周期Ｔ
を、図３に示すような人の知覚可能な周波数領域（ＤＣ
〜１０００Ｈｚ程度）の逆数に設定すれば、各周波数で
の振幅と知覚強度（ＳＬ）の関係から人の知覚に対応し
た振幅Ａを容易に決定できる。

【００１２】図４はボイスコイルモータ５の外観図であ
る。このボイスコイルモータ５は触覚信号Ｖを伝達する
信号呈示部位１２と、信号呈示部位１２の周囲に設けら
れた信号非呈示部位１３とからなり、指の存在に関わら
ずその振動が一定になるように、すなわち共振周波数が
ずれにくくなるように、ボイスコイルモータ５の可動部
支持部材のばね定数及び粘性係数を最適化して設計して
ある。ここで、信号呈示部位とは、皮膚に機械的振動を
与える部材を意味しており、信号非呈示部位とは、皮膚
に機械的振動を与えない部材を意味している。

【００１３】次にボイスコイルモータ５の最適化につい
て説明する。指の皮膚面のばね定数及び粘性係数の測定
から、微小な変位に於いては、指の皮膚面のばね定数は
１００〜１０００［Ｎ／ｍ］であり、粘性係数はほぼ０
［Ｎｓ／ｍ］であることがわかっている。したがって指
の皮膚面はばねのモデルで表現することができ、指のば
ね定数をｋ_F 、ボイスコイルモータ５の信号呈示部位１
２の質量をｍ、可動部支持部材のばね定数をｋ、粘性係
数をｃとすると、触覚呈示の様子はボイスコイルモータ
５と指とが共に振動する系として図５に示すようなモデ
ル化ができる。ただし、指と、ボイスコイルモータ５の
信号呈示部位１２との位置関係は一定の場合を考える。
ここで、指の皮膚面の粘性係数は皮膚変位の増加と共に
大きくなることが測定されている。ちなみに、皮膚変位
０．５［ｍｍ］においては０〜１００［Ｎｓ／ｍ］であ
る。しかしながら、この粘性係数はばね定数の値と比較
すると小さく、共振周波数の値にはさほど変化をもたら
さないため、ここでは、０［Ｎｓ／ｍ］であるとみなす
ことができる。なお、上記粘性係数は共振時の最大値に
は大きな影響を及ぼすがここでは考慮する必要がない。
ここで、ボイスコイルモータ５に交流電流ｉｃｏｓωｔ
［Ａ］を入力したときの信号呈示部位１２の運動方程式
は変位をｘ［ｍ］として次式で表せる。

【００１４】

【数１】 ここで、Ｂｌｉは必要な電磁力の振幅［Ｎ］である。
（１）式を解いて変位ｘを求めると次のようになる。

【００１５】

【数２】

【００１６】なお、ボイスコイルモータ５の可動部支持
部材の粘性係数ｃは極めて小さく、共振時の最大値を記
述する際にしか必要がないので、以下では無視（ｃ＝
０）して考える。このとき、信号呈示部位１２の振動の
共振周波数ｆ_n ［Ｈｚ］は

【００１７】

【数３】 で与えられる。

【００１８】ボイスコイルモータ５の力を無駄なく取り
出すには可動部支持部材は柔らかいほどよいが、可動部
支持部材のばね定数ｋの値を小さく設計してしまうと、
指のばね定数ｋ_F は１００〜１０００Ｎ／ｍと幅がある
ために、指のばね定数ｋ_F の小さいときと大きいときと
で、共振周波数ｆ_n が数倍もの差を生じてしまうことが
（３）式よりわかる。そこで、安定した共振周波数ｆ_n
で触覚信号の出力を実現するためには、可動部支持部材
のばね定数ｋが指の皮膚面のばね定数ｋ_F よりも十分に
大きいことが要求され、（３）式によってその値を決定
する。

【００１９】ここで共振周波数は、図３に示すように、
人の知覚感度が高くなる１００〜３００Ｈｚに設定する
ことが好ましい。例えば、共振周波数ｆ_n の目標値を２
５０Ｈｚとし、指の皮膚表面の存在による共振の変化が
２４５〜２５５Ｈｚの範囲内となるように設計する場
合、可動部支持部材のばね定数ｋは、（３）式から、

【００２０】

【数４】 を満たしていればよい。これを解くとｋ≧１０７０４
［Ｎ／ｍ］が得られる。

【００２１】このように、指の皮膚面が有するばね定数
及び粘性係数よりもボイスコイルモータ５の可動部支持
部材のばね定数及び粘性係数を十分大きく設定すること
によって、ボイスコイルモータ５と指の皮膚面とが共に
振動する系においては、系のばね定数及び粘性係数の値
は、ボイスコイルモータ５の可動部支持部材のばね定数
及び粘性係数とほぼ等しくなり、ボイスコイルモータ５
の振動は指の皮膚面の存在に関わらず、ほぼ一定とな
る。従って触覚信号に重畳される共振周波数がずれにく
く、指の存在に関わらず常に同じ共振成分を出力するこ
とができる。

【００２２】図６は人の知覚感度の閾値と周波数との関
係を示す図である。この図に示すように、刺激の呈示場
所を限定する（信号非呈示部位を設ける）ことによって
低い周波数ほど知覚感度が高くなることがわかる。した
がって、上記したように信号呈示部位１２と信号非呈示
部位１３とを別個に設けることによって、伝達される刺
激の皮膚への呈示場所を限定し、信号呈示部位１２だけ
が触覚信号Ｖを機械的刺激に変換して人に伝達するよう
にする。これにより刺激の周辺への伝搬を防止するとと
もに、人の触覚感度を高めることができる。

【００２３】このようにして、触覚信号発生回路４によ
って人の触知覚特性に基づいて決定された信号の振幅
Ａ、周期Ｔ、立ち上がり時間ｔｕ、立ち下がり時間ｔｄ
の触覚信号Ｖがボイスコイルモータ５を介して人の触覚
の周波数特性に一致した共振成分が重畳された状態の機
械的振動として、刺激の伝搬を防ぐ構造のボイスコイル
モータ５から出力されることから、信号のもつ特性を損
なうことなく人に伝達することができる。

【００２４】さらに、ボイスコイルモータ５は、人の触
覚に於いて最も感度が高くなる周波数と一致する共振周
波数をもつので、触覚信号Ｖの立ち上がり時間ｔｕ及び
立ち下がり時間ｔｄに依存してボイスコイルモータ５の
共振成分が触覚信号Ｖの立ち上がりｔｕ、立ち下がりｔ
ｄで重畳され、呈示された触覚信号Ｖのエッジ、即ち信
号の立ち上がり、立ち下がりがより明確に人に伝達され
る。なお、この信号呈示部位１２と信号非呈示部位１３
は変形しない素材から構成されている。

【００２５】また、図２を用いて前記したように、触覚
信号発生回路４によって出力される信号波形の形状は対
象物によって異なり、この信号波形でボイスコイルモー
タ５を駆動した場合は図７に示すように、ボイスコイル
モータ５から人の指先に伝達される刺激の形状は、信号
波形に追従した波形に対して、信号の立ち上がり、立ち
下がりに依存してその振幅や減衰時間が変化する共振成
分ｗ１、ｗ２が重畳したものとなる。すなわち鋭く立ち
上がっている波形が触覚信号Ｖとしてボイスコイルモー
タ５に与えられた場合、そのエッジ、即ち信号の立ち上
がり、立ち下がりに重畳する共振成分ｗ１、ｗ２の振幅
と共振の減衰時間も長くなり、人はその信号を硬いと感
じるようになる。逆に、信号の立ち上がり時間が非常に
緩やかな場合は、共振成分ｗ１、ｗ２が重畳しにくくな
るので、人はその信号を柔らかいと知覚するようにな
る。これにより、対象物の硬軟情報の伝達が可能とな
る。

【００２６】ここで、ボイスコイルモータ５の共振周波
数は、その可動部支持部材のばね定数及び粘性係数を種
々選ぶことによって適宜設定でき、さらに磁石などの構
成要素を仕様に合わせて変えることもできる。一方、ボ
イスコイルモータ５の共振周波数が人の知覚できる範囲
よりも高い周波数に設定された場合でも、触覚信号発生
回路４によって、知覚感度が高くなる周波数、例えば１
００〜３００Ｈｚの振動が信号の立ち上がり、立ち下が
りに含まれるように任意波形を生成することによって、
共振成分が重畳された場合と同等の触覚を人に伝達する
ことができる。

【００２７】なお、上記した第１実施形態の各構成は各
種の変化、変更が可能である。例えば、ボイスコイルモ
ータ５は振動発生源の一例として挙げただけであり、圧
電素子、ケモメカニカルゲルアクチュエータ、リニアア
クチュエータ、電気粘性流体アクチュエータなどの振動
発生源を用いても同様の効果が得られる。また、信号呈
示部位１２と信号非呈示部位１３の形状は、本実施の形
態では円形の場合について述べたが、円形以外に四角
形、三角形など任意の形状としても同様の効果が得られ
る。

【００２８】以下に本発明の第２実施形態を説明する。
図８は本発明の第２実施形態の構成を示す図である。第
２実施形態は、第１実施形態におけるボイスコイルモー
タ５の信号呈示部位１２が、触覚信号Ｖを人に伝達する
とともに人の感度に合わせて皮膚への接触面積の大きさ
を適宜取り替えることができる構成となっていることを
特徴としている。

【００２９】すなわち、図８に示すように、ボイスコイ
ルモータ５の信号呈示部位（接触子）１２は雄ねじ１６
を有しており、この雄ねじ１６をボイスコイルモータ５
の可動部支持部材１４に設けられた雌ねじ１７にねじ込
むことによって、信号呈示部位（接触子）１２を容易に
可動部支持部材１４と接続することができる。

【００３０】そこで、雄ねじ１６、雌ねじ１７部の規格
が同じものを用いて異なる面積の信号呈示部位１２を複
数用意し、触覚呈示装置１を使用する人の触覚感度にあ
わせて取り替えるようにする。これは、人の触覚は図９
に示すように皮膚の接触面積に依存してその感度が変化
するためであり、信号呈示部位１２の人間の皮膚との接
触面積を機械的刺激の伝達に高い触覚感度を与える面積
に設定することにより、わかりやすい触覚情報の伝達が
行なえる。

【００３１】なお、上記した第２実施形態の構成は、各
種の変化、変更が可能である。例えば、ボイスコイルモ
ータ５の信号呈示部位１２と可動部支持部材１４とを接
続するにあたって、信号呈示部位１２に雌ねじを設け、
可動部支持部材１４に雄ねじを設けてもよく、信号呈示
部位１２が交換可能で可動部支持部材１４と一体となっ
て振動するように固定できる構造ならばどのような構造
であっても構わない。

【００３２】以下に本発明の第３実施形態を説明する。
図１０は第３実施形態の構成を示す図である。図１０に
おいて、触覚呈示装置２１は、接触状態を表す情報のう
ち対象物の硬さ、柔かさに関する情報を検出する検出手
段であるセンサ２２と、このセンサ２２により検出した
硬さ、柔かさに関する情報を受けて、複素弾性率の実数
部Ｅ′と複素弾性率の虚数部Ｅ″を触覚情報Ｘとして出
力する信号処理手段である信号処理回路２３と、この信
号処理回路２３からの触覚情報Ｘに基づいて触覚信号Ｖ
を発生する触覚信号発生手段である触覚信号発生回路２
４と、発生された触覚信号Ｖを人に伝達する触知覚情報
伝達手段であるボイスコイルモータ２５とからなる。

【００３３】触覚信号発生回路２４は、触覚信号の立ち
上がり時間ｔｕ及び立ち下がり時間ｔｄ、振幅Ａ、周期
Ｔの各値が知覚化関数としてあらかじめ記憶され、信号
処理回路２３からの触覚情報Ｘを入力として受けて、こ
の入力信号に対応する触覚信号の立ち上がり時間ｔｕ及
び立ち下がり時間ｔｄ、振幅Ａ、周期Ｔの各値が格納し
てあるアドレスを検索して出力する出力テーブル３５
と、この出力テーブル３５からの出力に基づいて任意波
形定義時間ｔ0 ，ｔ1 ，…，ｔn を算出する波形定義時
間出力部３１とを有する信号変換手段２６と、この信号
変換手段２６に接続された任意波形発生器２７とからな
る。

【００３４】任意波形発生器２７は、出力テーブル３５
及び波形定義時間算出部３１からの各信号パラメータ
Ｔ，Ａ，ｔｕ，ｔｄ，ｔ0 ，ｔ1 ，…，ｔn を受けて触
覚信号Ｖを発生する。そして、任意波形発生器２７から
出力された触覚信号Ｖは、ボイスコイルモータ２５によ
って最終的に機械的な振動として人に伝達される。

【００３５】第３実施形態ではボイスコイルモータ２５
として図１１に示す構造のものを用いる。ボイスコイル
モータ２５は信号呈示部位である接触子４２と、信号非
呈示部位であるプレート４３とを備え、この接触子４２
の大きさは直径６ｍｍ、プレート４３は８ｍｍである。
また、接触子４２とプレート４３の間には１ｍｍのギャ
ップを設けてある。さらに、ボイスコイルモータ２５の
各物理量は、共振周波数ｆ_n ＝２２０［Ｈｚ］、可動部
支持部材４７のばね定数ｋ＝５８００［Ｎ／ｍ］、及び
粘性係数ｃ＝０．２［Ｎｓ／ｍ］、可動部質量ｍ＝３×
１０^-3［ｋｇ］である。図１１において、４４は巻枠、
４５は永久磁石、４６はヨークである。

【００３６】図１２（ａ）、（ｂ）は、ボイスコイルモ
ータ２５の周波数特性を示す図である。図１２（ａ）は
無負荷の場合のボイスコイルモータ２５の周波数特性で
あり、図１２（ｂ）は指がボイスコイルモータ２５に接
触した場合の周波数特性である。図１２（ａ）の場合、
共振周波数は約２２０Ｈｚである。また、図１２（ｂ）
のように指がボイスコイルモータ２５に触れた状態でも
共振周波数は２３０Ｈｚ程度で、指の存在によってその
振動が大きく変化することはない。

【００３７】また、信号変換手段２６は、センサ２２に
よって検出された複素弾性率の実数部Ｅ′、複素弾性率
の虚数部Ｅ″を受けて、これらの値と一致するか、もし
くは近い数値を有するアドレスを信号変換手段２６に格
納されている知覚化関数である出力テーブル３５から検
索し、そのアドレス内に格納されている信号の立ち上が
り時間ｔｕ、立ち下がり時間ｔｄ、振幅Ａ、周期Ｔを出
力する。図１３はこのときの信号変換の一例を示してい
る。ただしこの図では、ｔｕ＝ｔｄ＝ｔとしている。

【００３８】図１４は波形定義時間算出部３１が波形定
義時間を算出する工程を示すフローチャートである。図
１４に示すステップＳ１乃至Ｓ１４により出力ｔ0 ，ｔ
1 ，…ｔ5 、及び任意波形ｙが算出される。ただしここ
ではｔｕ＝ｔｄ＝ｔとしている。

【００３９】その結果、生成された任意波形として図１
５（ａ）に示すような正弦波あるいは図１６（ａ）に示
すような矩形波が任意波形発生器２７からボイスコイル
モータ２５に対して出力される。さらに、このボイスコ
イルモータ２５は２００Ｈｚ付近に共振周波数を持ち、
図１５（ａ）あるいは図１６（ａ）に示すような触覚信
号が与えられると、各々図１５（ｂ）あるいは図１６
（ｂ）に示すような波形の機械的振動として人の指先に
伝達される。なお、この共振周波数成分は図１２
（ａ）、（ｂ）に示すように、指が接触しているか否か
によって特に大きく変化することはない。

【００４０】このように、発生した触覚信号はボイスコ
イルモータ２５を介してその波形に応じた機械的振動と
して人に伝達されることにより、図１７に示すように、
正弦波の場合は柔らかい感覚、矩形波の場合は硬い感覚
を人に明確に知覚させることができる。

【００４１】なお、上記した実施形態で述べた出力テー
ブルは例えばニューラルネットワークに置き換えること
ができ、この場合、あらかじめ得られた知覚データをニ
ューラルネットワークに入力して学習させ、より適切な
触覚信号を発生させるようにしてもよい。

【００４２】上記した具体的実施形態には以下の構成を
有する発明が含まれている。 （構成１）対象物との接触状態を検出してその接触状態
を示す信号を出力する検出手段と、この検出手段によっ
て検出した接触状態を示す信号を対象物の触覚情報に変
換して出力する信号処理手段と、この信号処理手段によ
り出力された触覚情報を人の知覚特性に対応した任意波
形の触覚信号に変換して発生する触覚信号発生手段と、
前記触覚信号を人に知覚しうる触知覚情報に変換して人
に伝達する触知覚情報伝達手段と、を具備したことを特
徴とする触覚呈示装置。 （対応する発明の実施の形態）この発明に関する実施の
形態は、第１、第２、第３の実施形態が対応する。構成
中の触知覚情報伝達手段は、この実施形態ではボイスコ
イルモータが相当するが、圧電素子、ケモメカニカルゲ
ルアクチュエータなども含む。 （作用）触覚信号発生手段によって、人の知覚特性に対
応した任意波形の触覚信号を発生し、この触覚信号に基
づいて、触知覚情報伝達手段を駆動して人に触知覚情報
を伝達する。 （効果）人の知覚特性に対応した任意波形の触覚信号を
発生するので、人が直感的に知覚できるような対象物の
触知覚情報の伝達ができる。 （構成２）構成（１）の触覚呈示装置に於いて、前記触
覚信号発生手段は、触覚信号の立ち上がり時間、立ち下
がり時間、振幅及び周期を含む特徴量のうち少なくとも
１つを設定して、任意波形の触覚信号を発生することを
特徴とする。 （対応する発明の実施の形態）この発明に関する実施の
形態は、第１、第２、第３の実施形態が対応する。 （作用）触覚信号発生手段が触覚信号の立ち上がり時
間、立ち下がり時間、振幅及び周期の特徴量を有し、そ
のうちの少なくとも一つを設定し、任意波形を発生させ
て触知覚情報伝達手段を駆動する。 （効果）触覚信号発生手段によって、立ち上がり時間、
立ち下がり時間、振幅及び信号の周期という触覚信号の
パラメータのうち、少なくとも一つを最適に設定して任
意波形を発生して、人の触知覚特性に対応した触知覚情
報の伝達を行うので、人はその触知覚情報を直感的に知
覚できる。 （構成３）構成（１）、（２）の触覚呈示装置に於い
て、前記触覚信号発生手段が、前記信号処理手段からの
触覚情報を知覚化関数に基づいて触覚信号に変換する信
号変換手段と、この信号変換手段からの出力に応じて、
任意の波形を発生する任意波形発生手段とからなること
を特徴とする。 （対応する発明の実施の形態）この発明に関する実施の
形態は、第１、第２、第３の実施形態が対応する。 （作用）信号変換手段によって、信号処理手段からの信
号を知覚化関数に基づいて触覚信号に変換し、その触覚
信号に応じて任意波形発生手段から任意波形を発生す
る。 （効果）信号変換手段に於ける知覚化関数を用いて、前
記信号処理手段からの信号を人の知覚特性に対応した触
覚信号に変換し、これに基づいて任意波形手段によって
任意波形を発生するので、触覚信号が人の知覚特性に対
応した信号として触知覚情報伝達手段に伝達される。 （構成４）構成（３）の触覚呈示装置に於いて、前記信
号変換手段の知覚化関数が、前記信号処理手段からの触
覚情報を任意波形の立ち上がり時間及び立ち下がり時
間、振幅及び周期の各特徴量に変換するテーブルである
ことを特徴とする。 （対応する発明の実施の形態）この発明に関する実施の
形態は、第１、第２、第３の実施形態が対応する。構成
中のテーブルは、この実施形態では波形周期Ｔ、立ち上
がり時間ｔｕ、及び立ち下がり時間ｔｄ、振幅Ａの各値
が格納された出力テーブルが相当する。 （作用）テーブルからなる知覚化関数によって、信号処
理手段からの触覚情報を入力として、その入力信号に対
応する触覚信号の立ち上がり時間、立ち下がり時間、振
幅、周期の各値が格納してあるアドレスをテーブルから
検索し、そこから触覚信号の立ち上がり時間、立ち下が
り時間、振幅、周期を出力する。 （効果）テーブルからなる知覚化関数によって、信号処
理手段からの触覚情報に対応した触覚信号の立ち上がり
時間、立ち下がり時間、振幅、周期を出力するので、人
の知覚特性に合った触覚信号を生成できる。 （構成５）構成（１）の触覚呈示装置に於いて、前記触
知覚情報伝達手段の共振周波数が、人の触覚感度が最も
敏感になる周波数と一致していることを特徴とする。 （対応する発明の実施の形態）この発明に関する実施の
形態は、第１、第２、第３の実施形態が対応する。 （作用）図７（ａ）、（ｂ）に示すように、前記触知覚
情報伝達手段の共振周波数成分は、触覚信号の立ち上が
り時間ｔｕ、立ち下がり時間ｔｄに依存する（図７の
（ａ）は立ち上がり時間ｔｕ、立ち下がり時間ｔｄが短
く、急峻に変化する任意波形、（ｂ）は立ち上がり時間
ｔｕ、立ち下がり時間ｔｄが長く、緩やかに変化する任
意波形であり、Ａは振幅、Ｔは周期である）。触知覚情
報伝達手段の共振周波数が人の知覚感度が最も敏感にな
る周波数と一致すると、触覚信号に応じて前記触知覚情
報伝達手段を振動させた場合、振動のベクトルがゼロも
しくは反転する時に振動に共振周波数成分が重畳し、こ
の重畳振動が触知覚情報伝達手段から人に伝達される。 （効果）触知覚情報伝達手段の共振周波数を人の感度が
最も敏感になる範囲の周波数に一致させると、人はその
周波数範囲では微妙な振幅を感じとることができるの
で、その共振成分が触覚信号に重畳されることによっ
て、呈示された触覚信号のエッジ、即ち信号の立ち上が
り、立ち下がりがより明確に人に伝達される。さらに、
この共振成分の重畳のさせ方によっては、対象物の硬さ
や柔らかさの情報伝達が可能となる。 （構成６）構成（１）の触覚呈示装置に於いて、前記触
知覚情報伝達手段が、可動部支持部材を備えたボイスコ
イルモータであり、その可動部支持部材のばね定数及び
粘性係数が人間の指の皮膚面が有するばね定数及び粘性
係数に比較して十分に大きいことを特徴とする。 （対応する発明の実施の形態）この発明に関する実施の
形態は、第１、第２、第３の実施形態が対応する。 （作用）ボイスコイルモータの可動部支持部材のばね定
数及び粘性係数を指の皮膚面が有するばね定数及び粘性
係数よりも十分に大きく設定すると、ボイスコイルモー
タと指の皮膚面とが共に振動する系においては、系のば
ね定数及び粘性係数の値は、ボイスコイルモータの可動
部支持部材のばね定数及び粘性係数にほぼ等しくなり、
指の影響が小さくなることによって指の皮膚面の存在に
関わらずほぼ一定の振動でボイスコイルモータは振動す
る。 （効果）指の皮膚面の存在に関わらず、ボイスコイルモ
ータの振動はほとんど変化しないため、触覚信号に重畳
される共振周波数がずれにくく、指の存在に関わらず常
に同じ共振成分を出力することができる。 （構成７）構成（１）の触覚呈示装置に於いて、前記触
知覚情報伝達手段が、触覚信号を機械刺激に変換して人
に伝達する信号呈示部位を有し、その信号呈示部位の皮
膚との接触面積が機械的刺激の伝達に高い触覚感度を与
える面積に設定されていることを特徴とする。 （対応する発明の実施の形態）この発明に関する実施の
形態は、第２実施形態が対応する。 （作用）皮膚との接触面積を最適に設定し、触覚信号を
機械的刺激として伝達する。 （効果）触覚感度が十分に高くなる範囲で接触面積を最
適に設定することによって、わかりやすい触覚情報の伝
達が行える。 （構成８）構成（１）の触覚呈示装置に於いて、前記触
知覚情報伝達手段が、信号呈示部位と、この信号呈示部
位の周囲に設けられた信号非呈示部位とを有することを
特徴とする。 （対応する発明の実施の形態）この発明に関する実施の
形態は、第１の実施形態が対応する。 （作用）信号呈示部位と信号非呈示部位によって、前記
触知覚情報伝達手段から発生された機械的振動が皮膚に
伝達される部位と伝達されない部位を分離する。 （効果）信号呈示部位によって、前記触覚伝達手段から
発生された機械的振動が皮膚に伝達される部位が限定さ
れるので、皮膚上に於ける振動の伝搬に伴う触知覚の低
下を防ぐことができ、それに伴って人の知覚感度を向上
させることができる。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、人の知覚特性に対応し
た任意波形を制御、発生するようにしたので、人が対象
物の触覚情報を直感的に知覚できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る触覚呈示装置の構
成を示す図である。

【図２】各信号パラメータＴ，ｔｕ，ｔｄ，Ａ，ｔ0 ，
ｔ1 …，ｔn と、触覚信号Ｖの振幅との関係を表す図で
ある。

【図３】各周波数での振幅と知覚強度の関係を示す図で
ある。

【図４】ボイスコイルモータの外観図である。

【図５】触覚呈示の様子をボイスコイルモータと指とが
共に振動する系としてモデル化した図である。

【図６】人の知覚感度の閾値と周波数との関係を示す図
である。

【図７】ボイスコイルモータから人の指先に伝達される
刺激の形状について、触覚信号の立ち上がり時間ｔｕ、
及び、立ち下がり時間ｔｄによる共振成分ｗ１、ｗ２の
依存度を示す図である。

【図８】本発明の第２実施形態の構成を示す図である。

【図９】人の触覚の感度と皮膚の接触面積との関係を示
す図である。

【図１０】本発明の第３実施形態の構成を示す図であ
る。

【図１１】第３実施形態で用いられるボイスコイルモー
タの構造を示す図である。

【図１２】ボイスコイルモータの周波数特性を示す図で
ある。

【図１３】出力テーブルによる信号変換の一例を示す図
である。

【図１４】波形定義時間算出部における波形定義時間の
算出工程を示すフローチャートである。

【図１５】（ａ）はボイスコイルモータに与えられる触
覚信号の波形、（ｂ）はボイスコイルから出力される信
号波形を示す図である。

【図１６】（ａ）はボイスコイルモータに与えられる触
覚信号の波形、（ｂ）はボイスコイルから出力される信
号波形を示す図である。

【図１７】異なる波形の機械的振動を与えた場合に人が
受ける感覚の違いを示す図である。

【符号の説明】

１…触覚呈示装置、２…センサ、３…信号処理回路、４
…触覚信号発生回路、５…ボイスコイルモータ、６…信
号変換手段、７…任意波形発生器、１１…波形定義時間
算出部、１２…信号呈示部位、１３…信号非呈示部位、
１４…可動部支持部材、１５…出力テーブル。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対象物との接触状態を検出してその接触
   状態を示す信号を出力する検出手段と、 この検出手段によって検出した接触状態を示す信号を対
   象物の触覚情報に変換して出力する信号処理手段と、 この信号処理手段により出力された触覚情報を人の知覚
   特性に対応した任意波形の触覚信号に変換して発生する
   触覚信号発生手段と、 前記触覚信号を人に知覚しうる触知覚情報に変換して人
   に伝達する触知覚情報伝達手段と、 を具備したことを特徴とする触覚呈示装置。
2. 【請求項２】 前記触覚信号発生手段は、触覚信号の立
   ち上がり時間、立ち下がり時間、振幅及び周期を含む特
   徴量のうち少なくとも１つを設定して、任意波形の触覚
   信号を発生することを特徴とする請求項１記載の触覚呈
   示装置。
3. 【請求項３】 前記触知覚情報伝達手段の共振周波数
   が、人の触覚感度が最も敏感になる周波数と一致してい
   ることを特徴とする請求項１記載の触覚呈示装置。