JPH0990867A - 触覚呈示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】臨場感ある触覚呈示が可能な触覚呈示装置を提
供すること。 【解決手段】対象物の触覚情報を人に伝達する触覚呈示
装置において、対象物の表面情報を時系列信号に変換す
る信号処理回路３と、前記時系列信号を受けて所定の制
御信号を発生する制御信号発生回路４と、この制御信号
発生回路４から出力された信号に基づいて駆動され、人
の皮膚表面に対して水平方向に機械的刺激を呈示する触
覚刺激素子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】本発明は触覚呈示装置に関
し、特に、人が対象物に手指で触れたときに感じる対象
物表面の凹凸などの触覚情報を実際に手指で触れること
なく遠隔的または仮想現実的に伝達するための触覚呈示
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】人は対象物を認知、判断する場合に、そ
の対象物に直接手指で触れることによって対象物表面の
滑らかさや凹凸感を感じる。それに対して、直接手指で
触れることのできない遠方の物体や微小対象物、画像表
示されている物体などは、視覚的に対象物を認識できて
も、その材質感までは直感的に感じることは難しい。

【０００３】このような触覚情報を人に伝達するための
従来の触覚呈示装置として、例えば「模擬触覚呈示装
置」（特開平６−１９３８５号）がある。これは、図１
６に示すように、操作者が支持面５６に沿って滑動させ
ることのできる保持体５１の表面に呈示子５２ａを露呈
させ、保持体５１の滑動に対応して対象物体の表面に触
れたときに感じる触覚の時空間パターンに相当する信号
を触覚呈示器５２に与え、呈示子５２ａにより模擬的に
触覚刺激を呈示するものである。図１６において、５３
は滑動検出器、５４は模擬触覚信号発生装置、５５はソ
レノイド、５７は可動鉄心、５８は支点、５９はてこ、
６０は小孔、６１はロータリエンコーダ、６２は球、６
３はピン、６４は長孔である。

【０００４】また、図１７は振動形触覚ディスプレイを
示す図で、２５０Ｈｚの周波数で振動する振動ピン６９
（直径０．５ｍｍ）を５×１０本並べて二次元の振動面
を構成し、その振動面に皮膚表面を触れ合わせて固定し
た状態で実際のなぞり運動のようにマウスを動かして、
指（が載った触覚ディスプレイ７０）の移動情報や表示
しようとする仮想物体６６の表面の情報をもとに振動面
を制御している（信学技報、ＨＣ９４−５，ｐｐ２９−
３４，１９９４ 振動形触覚ディスプレイに関する研
究：池井寧ら参照）。図１７において、６５はＣＧ表示
装置、６７は触覚ディスプレイ７０の移動量に対応した
ＣＧによる指、６８はキーボードである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】人が対象物の触覚情報
を探るときに、得ようとする情報によって異なる触動作
を行うことが知られている。ここで、触動作とは、つか
む動作、なぞり動作、押し込み動作など、対象物に対し
て人が自ら触ろうとする動作全般を指すものである。例
えば、表面情報を知りたいときに、一般に人は手指で表
面をなぞる動作を行う。これは、人が触覚を点情報とし
てではなく面情報として認識し、なぞり動作に伴う水平
方向への皮膚の変位から引っ張られている感覚の”ずれ
覚”が生じ、表面の凹凸に起因する皮膚変位の時間変化
を相対的に比較することで表面状態を判断しているため
である。

【０００６】しかしながら、上述した従来の装置におい
ては、人の触知覚の過程を十分に考慮していないために
直接手指で触れたときの表面状態を伝達することは考慮
されていない。例えば、図１６の従来例では、人が保持
体５１を動かし、その滑動に対応した信号を皮膚の一定
の場所に時間的に振幅を変化させて呈示するために、皮
膚表面に対する水平方向の変位とそれに伴うずれ覚が生
じず、実際に手指でなぞり動作を行った場合の知覚過程
と異なってくることから、ここで得られるのは皮膚表面
で直接触れたような感覚ではなく、結局、保持体を媒介
として増幅された模擬的な表面感覚でしかない。

【０００７】また、図１７の従来例は基本的には図１６
の従来例と同じであり、振動ピン６９がマトリクス状に
配置されたものである。この装置は、振動ピン６９の振
動周波数は一定で振動をオン・オフすることにより面制
御を行うために、例えば手指の動きに対して相対的に得
られる凹凸の違いが非常に単一的であって限られた範囲
での粗さ感覚しか表現できない。さらに、振動ピン６９
が振動していなくても、振動ピン６９の存在自体は知覚
されてしまうので、表面がつるつるした対象物の表現は
基本的に困難である。

【０００８】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、人の触覚にお
ける表面情報の知覚過程でのなぞり動作を考慮して、表
面の凹凸などの触覚情報を、空間的なパタ―ンからなぞ
り動作に対応させた時系列パターンへと変換し、なぞり
感を伴った粗滑感や凹凸感として伝達して臨場感のある
触覚呈示を可能とする触覚呈示装置を提供することにあ
る。

【０００９】

【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、本発明は、対象物の触覚情報を人に伝達する触覚
呈示装置において、対象物の表面情報を時系列信号に変
換する信号処理手段と、前記時系列信号を受けて所定の
制御信号を発生する制御信号発生手段と、この制御信号
発生手段から出力された信号に基づいて駆動され、人の
皮膚表面に対して水平方向に機械的刺激を呈示する触覚
刺激手段とを具備する。

【００１０】すなわち、本発明においては、対象物の触
覚情報を人に伝達する触覚呈示装置において、対象物の
表面情報を時系列信号に変換し、この時系列信号を受け
て所定の制御信号を発生する。そして、この制御信号に
基づいて、人の皮膚表面に対して水平方向に機械的刺激
を呈示するようにする。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第一実施形態に係
る触覚呈示装置について、図１を参照して説明する。ま
ず、第一実施形態について説明する。図１に示すよう
に、第一実施形態の触覚呈示装置は、対象物１００の表
面情報に基づいた位置信号ＸおよびＹを出力する表面情
報検出回路１と、前記位置信号ＸおよびＹに基づいて対
象物１００の表面の凹凸パターンの時間的変化である速
度ｖx ，ｖy 、加速度ａx ，ａy を算出するとともに、
位置信号Ｘを電圧信号Ｖx に変換する位置信号・電圧信
号変換回路２と、前記位置信号・電圧信号変換回路２の
出力信号ｖx ，ｖy ，ａx ，ａy を一要素からなる時系
列パターン信号Ｖy に変換する信号処理回路３と、その
時系列パターン信号Ｖy を、前記位置信号・電圧信号変
換回路２の位置信号Ｘに関する出力信号Ｖx に重畳さ
せ、所定の指令信号Ｖを発生させて出力する制御信号発
生回路４と、前記制御信号発生回路４の出力を受けて機
械的刺激を人の指先に伝達する触覚刺激素子５とを備え
ている。なお、ここで、Ｘ，Ｙ，ｖx ，ｖy ，ａx ，ａ
y ，Ｖx ，Ｖy ，Ｖはそれぞれ、対象物表面の走査方向
に対する移動量、対象物表面の凹凸の深さ方向の位置、
水平方向の速度、深さ方向の速度、水平方向の加速度、
深さ方向の加速度、対象物表面の走査方向に対する移動
量に対応する電圧信号、対象物表面のパターン信号、前
記触覚刺激素子５を駆動する駆動信号である。

【００１２】具体的には、図２に示すように、前記表面
情報検出回路１は、ある時間ごとに表面の凹凸の深さ情
報を検出する深さ情報検出回路７と、表面の凹凸の深さ
情報に対応する同時刻の水平方向の距離情報を検出する
距離検出回路６とから構成されており、それぞれによっ
て位置信号ＸまたはＹが検出される。そして、前記位置
信号ＸおよびＹに基づいて、前記位置信号・電圧信号変
換回路２における走査速度演算回路８と深さ速度演算回
路９とによって、速度ｖx ，ｖy がそれぞれ演算され、
同様に走査加速度演算回路１０と深さ加速度演算回路１
１とによって、加速度ａx ，ａy がそれぞれ演算され
る。このようにして算出した出力信号について、ｖx ，
ａx を信号処理回路３の水平刺激知覚関数１３に入力
し、ｖy ，ａy を深さ刺激知覚関数１４にそれぞれ入力
することによって、各方向の刺激に対する人の知覚強度
Ｓx ，Ｓy を算出する。

【００１３】次に、対象物に対する人の知覚Ｓを求める
ために、前記知覚強度Ｓx ，Ｓy を前記信号処理回路３
の刺激知覚関数１５に入力し、その出力Ｓから疑似刺激
出力関数１６によって水平呈示刺激のための信号Ｖy を
出力する。一方、位置信号・電圧信号変換回路２の走査
信号検出回路１２は、表面情報検出回路１からの出力Ｘ
を信号Ｖx に変換する。ここで、表面情報検出回路１の
表面走査を代替的な人のなぞり動作としてとらえると、
この信号Ｖx はなぞり動作信号として考えることができ
る。

【００１４】以上のようにして変換した対象物の触覚情
報信号Ｖy を、制御信号発生回路４の信号加算回路１７
によって、なぞり動作信号Ｖx に重畳させ、係る出力Ｖ
o を可変ローパスフィルタ１８によってローパス信号Ｖ
o ^* に変換され、更に増幅器１９によって、触覚刺激素
子５の刺激伝達回路２０を駆動するための所定の信号Ｖ
に変換する。このように前記刺激伝達回路２０を駆動す
ることによって、係る刺激伝達回路２０に接続されてい
る接触子２１から人の手指に機械的刺激が伝達されるこ
とになる。

【００１５】このような触覚呈示装置の表面情報検出回
路１には、距離検出回路７としてＣＣＤカメラ、深さ情
報検出回路６としてレーザ変位計が適用されている。ま
た、位置信号・電圧信号変換回路２と信号処理回路３
は、アルゴリズムを記憶したメモリを搭載するコンピュ
ータに内蔵されている。制御信号発生回路４には、信号
加算回路１７として、信号を加算するための入力チャン
ネルを少なくとも２つ以上有する発生器が用られてい
る。可変ローパスフィルタ１８は、信号加算回路１７か
らの出力に応じて自動的にその周波数帯域が設定される
ようになっており、増幅器１９は、予め触覚伝達装置を
使用する人の知覚に合わせて調整した倍率で増幅するよ
うに設定されている。

【００１６】そして、触覚刺激素子５には、刺激伝達回
路２０としてボイスコイル５ａが適用されているととも
に、知覚強度に影響を与えないように研磨された接触子
２１がこのボイスコイル５ａに機械的に接続されてい
る。なお、刺激伝達回路２０は、ボイスコイル５ａに限
定されることなく、例えば他に、圧電素子や電気粘弾性
アクチュエータ、磁気粘弾性アクチュエータ、電磁ソレ
ノイド、磁歪素子、ケモニカルゲルなどであっても良
い。また、接触子は機械的刺激によって容易に変形する
ことのない剛性のある材質のもので、例えば、アルミの
ような金属片などが好ましい。

【００１７】以上のような構成において、水平刺激知覚
関数１３は、走査速度ｖx 、走査加速度ａx を、手指の
皮膚表面に対して水平方向の刺激に対する知覚強度Ｓx
に変換する方程式、即ち Ｓx ＝ｋ4 Ｘⁿ⁴＋ｋ5 ｖx ⁿ⁵＋ｋ6 ａx ⁿ⁶ で記述される。この式は一般にスティーブンスのべき乗
関数と呼ばれ、刺激に対する人の感覚強度を表す実験式
であることが知られている。ここで、Ｓx は水平方向に
対する知覚強度、Ｘは水平方向の移動距離、ｖx は水平
方向の速度、ａxは水平方向の加速度を表す。また、ｋ
４，ｋ５，ｋ６およびｎ４，ｎ５，ｎ６は定数である。

【００１８】また、深さ刺激知覚関数１４は、 Ｓy ＝ｋ1 Ｙⁿ¹＋ｋ2 ｖy ⁿ²＋ｋ3 ａy ⁿ³ で記述され、深さ速度ｖy 、深さ加速度ａy を、手指の
皮膚表面に対して深さ方向の刺激に対する知覚強度Ｓy
に変換する。また、ｋ１，ｋ２，ｋ３およびｎ１ｎ２，
ｎ３は定数である。

【００１９】これら方向別知覚関数から求めた出力を刺
激知覚関数１５、すなわち、 Ｓ＝ｋ7 Ｓx ＋ｋ8 Ｓy ＋ｋ9 Ｓx Ｓy に入力することによって、総合的な知覚強度Ｓが出力さ
れる。ここで、Ｓx は水平方向に対する知覚強度、Ｓy
は深さ方向に対する知覚強度であり、また、ｋ７，ｋ
８，ｋ９は定数を表す。

【００２０】対象物の表面情報を伝達するための信号Ｖ
o は、疑似刺激出力関数１６、すなわち、 Ｖy ＝ｋ10Ｓ に基づいて前記知覚強度Ｓから求められる。なお、Ｖy
は凹凸情報に対応する電圧値、Ｓは総合的な知覚強度、
ｋ10は定数である。

【００２１】ここで、人の機械的刺激に対する知覚特性
に関与している触覚受容器について記述する。人の機械
的刺激に対する知覚特性には、数種類の触覚受容器が関
与していることが知られている。その中で、ＳＡIIと呼
ばれる触覚受容器は、皮膚表面に水平でかつ指に対して
長手方向の皮膚変形に反応する受容器であることが知ら
れている。しかしながらこのＳＡII受容器はそのような
皮膚変形を検出するのみで、皮膚変形の速さや加速度ま
では検出できない。一方、ＳＡIIが検出できない皮膚変
形の速さや加速度については、ＲＡやＰＣなどのような
他の触覚受容器によって検出できることが知られてい
る。このことは、皮膚表面に水平でかつ指に対して長手
方向の皮膚変形であってもその変形が速い場合には、人
は機械的刺激があることを知覚できるだけで、どちらの
方向に変形しているかまでは判断できないことを示唆す
る。

【００２２】図３は、実験的に確認された正弦波振動の
刺激周波数と人の方向認知率の関係を示す図で、皮膚表
面に水平でかつ指に対して長手方向に機械的に皮膚変形
を呈示したときの、その機械刺激の速さと方向判別度の
関係を示すものである。これによれば１００Ｈｚ程度の
速い正弦波振動を機械的に呈示した場合には、刺激の振
幅に関係なく殆どその変形方向が知覚できないことがわ
かる。ここで、ＰＣは周波数４０Ｈｚ以上の振動を感度
良く検出することが知られているが、例えば、粒径２０
０μｍ程度のサンドペーパーを人がなぞる場合に、なぞ
り幅が約５ｃｍとすれば粒径の凹凸密度は約５個／ｍｍ
となり、そのときのなぞり速度が約５０ｍｍ／ｓｅｃと
すれば、表面の凹凸情報の時間的変化は、 ５（個／mm）×５０（mm／sec ）＝２５０（個／sec ）
＝２５０（Hz） から約２５０Ｈｚとなり、このとき表面の凹凸情報を検
出するのはＳＡ受容器ではなく、ＰＣ受容器であると考
えられる。すなわち、活性化する受容器が刺激の周波数
や速さによって選択できることから、水平方向の機械的
刺激で、従来皮膚表面に垂直方向の皮膚変形を呈示する
ことで伝達してきた凹凸感を、皮膚表面に水平方向の皮
膚変形で伝達できる。疑似刺激出力関数１６は、そのた
めの刺激信号Ｖy を出力するものである。

【００２３】次に、先に述べた触覚受容器ごとの特性の
違いを利用して、なぞり動作、凹凸の二方向の機械的刺
激を一方向の機械的刺激で伝達するための信号Ｖo を、
信号加算回路１７により作成する。これは、前記走査信
号検出回路１２からの出力信号Ｖx に対して、前記疑似
刺激出力関数１６からの刺激信号Ｖy を加算し、信号Ｖ
o を出力するものである。

【００２４】この信号Ｖo は、可変ローパスフィルタ１
８、増幅器１９を経て、前記刺激伝達回路２０へ入力さ
れる駆動信号Ｖに変換される。上記した実施形態によれ
ば、なぞり動作を伴った凹凸感の伝達を一方向の機械的
刺激呈示だけで伝達することが可能となる。従って、実
際に手指が対象物表面をなぞっている感覚を伴うので、
臨場感ある凹凸感表現を行うことができる。また、人の
触知覚特性を利用しているために、予めピンなどをマト
リクス状に配置してある程度の粗さを作っておく必要が
なく、信号処理だけで対象物表面の凹凸をいろいろと表
現できる。さらに、一方向の刺激呈示だけで表現できる
ために実際に手指に触れる部分の装置構成を簡略化、小
型化できる。

【００２５】以下に第１実施形態の変形例を説明する。
第一の変形例は、図４に示すように、例えば表面情報検
出回路１を加速度センサやジャイロ等からなる走査加速
度演算回路１０と深さ加速度演算回路１１で構成してそ
こから速度や移動距離を算出しても良い。この場合、位
置信号・電圧信号変換回路２は図４に示すような配置に
あってもよい。この変形例によれば、視覚的回路による
表面情報の検出が困難な場合でも、いわゆるソフトウエ
ア的処理によってその位置情報などを検出することがで
きる。

【００２６】また、第二の変形例として図５に示すよう
に、表面情報検出回路１を触覚刺激素子５に搭載しても
良い。この変形例によれば、対象物の表面情報を得るた
めの検出器を人が動かすと同時に、その表面情報が手指
に伝達されるため、なぞり動作による皮膚の変形の他に
腕の筋力の動きを伴うことから、自らが対象物を走査し
ている感覚が強調されて、さらに臨場感のある触覚伝達
が可能になる。

【００２７】また、第三の変形例として図６に示すよう
に、表面情報検出回路１を複数配置し、それに対応する
ように複数の触覚刺激素子５を刺激呈示部分に配置して
もよい。これによって、空間的に多彩な表面情報の伝達
が可能になる。

【００２８】次に、本発明の第二実施形態に係る触覚呈
示装置について、図７、図８を参照して説明する。な
お、本実施形態の説明に際し、第一実施形態と同一の構
成には、同一の符号を付してその説明を省略する。

【００２９】図７に示すように、本実施形態の触覚呈示
装置は、仮想空間内の対象物に係るものである。仮想表
面情報作成回路２２は、仮想空間内の対象物の座標Ｘ
１，Ｘ２における表面情報Ｐを作成し、そのときの知覚
強度Ｓopt を出力する。前記仮想表面情報作成回路２２
によって作成された仮想対象物は視覚表示回路２８に入
力されて視覚的な信号に変換して表示される。仮想表面
走査回路２３は人が仮想対象物表面を走査して得られる
出力Ｄx1，Ｄx2を出力し、なぞり信号生成回路４１はな
ぞり動作信号Ｖx を生成して出力する。

【００３０】一方、仮想表面情報作成回路２２によって
作成された仮想対象物について、そのときの触覚の知覚
強度Ｓmec は仮想信号処理回路２５に供給される。仮想
信号処理回路２５は、仮想表面情報作成回路２２からの
知覚強度Ｓmec と、仮想表面走査回路２３からの出力Ｄ
x1，Ｄx2とに基づいて、その仮想的な対象物表面の凹凸
パターン情報としての触覚信号Ｖy を出力する。

【００３１】このようにして得られた信号Ｖx ，Ｖy を
仮想制御信号発生回路２６によって加算することによっ
て、所定の指令信号Ｖを触覚刺激素子５に発生させるこ
とによって、機械的刺激を人の指先に伝達する。

【００３２】ここで、図８を参照して対象物を表現する
ために必要な物理情報Ｐと人の知覚強度Ｓの関係を求め
る。まず、前記仮想表面情報作成手段２２内の仮想物理
量抽出回路３１によって、所定の仮想対象物を座標（ｘ
１，ｘ２）ごとに表現する最適な物理量Ｐl,m(x1,x2)を
選択する。ここで、Ｐは物理強度を示し、添字ｌはその
物理量が光学的なものか機械的なものかを区別する。添
字ｍはその物理量の詳細な種類である。例えば、座標
（ｘ１，ｘ２）の光学的な物理量をＰopt,m(x1,x2)と記
述するとすれば、種類ｍを指す詳細な物理量としては、
例えば、光の反射率や透過率、分光反射率などがあげら
れる。

【００３３】また、機械的な物理量をＰmec,m(x1,x2)と
して記述すれば、例えば、表面粗さや摩擦係数、表面硬
度などが種類ｍを指す詳細な物理量としてあげられる。
前記仮想物理量抽出回路３１からの出力Ｐl,m(x1,x2)
を、人が知覚するｍ種類の認知量Ｓl,m(x1,x2)との関係
を表す物理知覚関数３２に入力し、前記物理知覚関数３
２の出力である認知量Ｓl,m(x1,x2)を組み合わせ、知覚
心理関数３３に入力することで、人の総合的な心理量Ｓ
l との関係を表す。

【００３４】ここで、前記仮想物理量抽出回路３１は、
光学的な物理量Ｐopt,m を選択する視覚的物理量抽出回
路３４と、機械的な物理量Ｐmec,m を選択する触覚的物
理量抽出回路３５とからなる。また、物理知覚関数３６
は次の式で表すことができる。

【００３５】Ｓl,m ＝ｋ11Ｐ^ｎ ｌ，ｍ この関数はスティーブンスのべき乗関数と呼ばれ、よく
知られた式である。ここで、Ｐは物理強度を示し、Ｓは
人の認知量を表す。添字ｌは、関数を区別するもので、
添字ｌがｏｐｔの場合は視覚的物理知覚関数、添字ｌが
ｍｅｃの場合は触覚的物理知覚関数であることを示す。
ｍはその物理量の詳細な種類である。またｎおよびｋ１
１はその物理量によって一義的に決定される定数であ
る。

【００３６】Ｓmec,m ＝ｋ10Ｐⁿ mec,m また、前記知覚心理関数３３は、視覚的な認知量Ｓn を
組み合わせて人の総合的な心理量Ｓopt を表す視覚的知
覚心理関数３８と、これと同様に触覚的な総合心理量Ｓ
mec を表す触覚的知覚心理関数３９とからなる。知覚心
理関数３３は次式で定義される。

【００３７】Ｓl ＝ΣＳl,m ここで、ｌは視覚的物理知覚関数と触覚的知覚関数の区
別、ｍは物理量の種類、Ｓは人の認知量を表す。

【００３８】さらに、前記視覚的知覚心理関数３８の出
力Ｓopt(x1,x2)は、視覚的に仮想対象物を表示する信号
Ｖopt(x1,x2)を出力する視覚信号変換回路２９と、仮想
対象物を視覚的に表示する視覚表示回路３０とからなる
視覚表示装置２８に入力される。

【００３９】次に、仮想表面走査回路２３は、前記視覚
表示回路３０によって表現された仮想空間内の対象物に
ついて、触覚情報を得たい部分Ｄx1，Ｄx2を間接的に移
動、選択するための検出部分移動回路４３と、前記検出
部分Ｄx1，Ｄx2を示す検出部分表示回路４２とからな
る。前記検出部分表示回路４２は、前記検出部分移動回
路４３の移動量をある一定時間ごとにサンプリングする
ことによって、触覚情報を得たい部分Ｄを、例えば、前
記視覚表示回路３０にフィードバックすることによっ
て、矢印などで表示するものである。人がこの検出部分
Ｄを変更したい場合には、前記検出部分移動回路４３を
任意に移動させることによって、選択部分Ｄを選ぶこと
が出来る。

【００４０】また、なぞり信号生成回路４１は、前記位
置信号Ｄx1，Ｄx2に対応する電圧信号Ｖx を出力するも
のである。一方、前記触覚的知覚心理関数３９からの出
力Ｓmec(x1,x2)は、仮想信号処理回路２５の触知覚強度
選択回路４０に供給される。前記触知覚強度選択回路４
０は、前記位置信号Ｄx1，Ｄx2を受けて、そのときの座
標の知覚強度Ｓmec ( Ｄx1，Ｄx2）を出力する。また、
仮想信号処理回路２５内の仮想信号生成回路４４は、そ
の触覚的心理量Ｓmec （Ｄx1，Ｄx2）と同等の知覚強度
を表すときの触覚情報信号Ｖy を出力する。

【００４１】次に、仮想制御信号発生回路２６は、前記
仮想信号処理回路２５によって変換した対象物の触覚情
報信号Ｖy を、前記なぞり信号生成回路４１からのなぞ
り動作信号Ｖx に重畳させ、加算する仮想信号加算回路
４５と、前記仮想信号加算回路４５からの出力Ｖo に対
してその出力周波数帯域ｆを変えることができる可変ロ
ーパスフィルタ１８と、この可変ローパスフィルタ１８
からの信号Ｖo ^* を増幅する増幅器１９とを有する。最
終的な増幅器１９からの出力Ｖで、刺激伝達回路２０を
駆動することによって、係る刺激伝達回路２０に接続さ
れている接触子２１から人の手指に機械的刺激が伝達さ
れることになる。

【００４２】ここで、仮想信号加算回路４５は Ｖo ＝Ｖx ＋Ｖy で定義される。Ｖx はなぞり動作移動距離に対応する電
圧信号、Ｖy は対象物の触覚情報に対応する電圧信号で
ある。

【００４３】本実施形態では、第一実施形態で示した人
の触知覚特性を利用することで、多次元の刺激を一次元
の水平振動刺激で表現できる。すなわち、本実施形態に
よれば、なぞり動作を伴った凹凸感の伝達を一方向の機
械的刺激呈示だけで伝達することが可能となる。従っ
て、実際に手指が対象物表面をなぞっている感覚を伴う
ので、臨場感ある凹凸感表現を行うことができる。ま
た、対象物に関する心理物理的な知識から、触覚呈示に
関する視覚情報、触覚情報の刺激を作成できるために、
これから作る新製品などの設計システムや人口現実感な
どのＣＧを用いたシステムに利用することができる。こ
の実施例の具体的な構成の一例としては、仮想表面情報
作成回路２２、視覚信号変換回路２９、なぞり信号生成
回路４１、仮想信号処理回路２５がコンピュータに内蔵
されており、前記視覚表示回路３０がコンピュータディ
スプレイ、仮想表面走査回路２３がマウスやジョイステ
ィック、仮想制御信号発生回路２６が波形合成器、触覚
刺激素子５にはボイスコイルを使用することが考えられ
る。

【００４４】なお、本実施例は、上述した実施例の構成
に限定されることはなく種々変更することが可能であ
る。すなわち、第一の変形例において、図９に示すよう
に、仮想表面走査回路２３を触覚刺激素子５に搭載して
も良い。この変形例によれば、対象物の表面情報を得る
ための検出器を人が動かすと同時に、その表面情報が手
指に伝達されるためなぞり動作による皮膚の変形の他に
腕の筋肉の動きを伴うことから、自らが対象物を走査し
ている感覚が強調されて、さらに臨場感のある触覚伝達
が可能になる。

【００４５】また、第二変形例として図１０に示すよう
に、複数の触覚刺激素子５を刺激呈示部分に配置しても
よい。これによって、空間的に多彩な表面情報の伝達が
可能になる。

【００４６】次に本発明の第三実施形態に係る触覚呈示
装置について、図１１を参照して説明する。但し、本実
施形態の説明に際し、第一実施形態、第二実施形態と同
一の構成には、同一の符号を付してその説明は省略す
る。

【００４７】図１１に示すように、本実施例の触覚呈示
装置は、予め作成しておいた対象物の表面情報を選択
し、時系列信号に変換する信号処理回路３と、予め作成
しておいたなぞり動作に対応する信号を前記信号処理回
路３からの出力に加算して出力する制御信号発生回路４
と、前記制御信号発生回路４からの出力を受けて、機械
的刺激を人の指先に伝達する触覚刺激素子５とを備えて
いる。

【００４８】具体的には、図１２に示すように、信号処
理回路３は、表面情報選択回路４８と表面情報信号抽出
回路４９からなり、表面情報選択回路４８は、その表面
情報を知りたい対象物の情報Ｏｂが入力されたとき、そ
の情報に合った対象物Ｐを選択する。次に、表面情報信
号抽出回路４９はこの出力Ｐを受けて、その対象物表面
に応じた時系列信号Ｖy を出力する。一方、入力信号発
生回路４のなぞり動作信号発生回路５０は平均的な人の
なぞり動作に対応する信号Ｖx を発生する。このような
出力Ｖx およびＶy を信号加算回路１７に入力すること
によって、刺激信号Ｖo を作成する。この信号Ｖo は可
変ローパスフィルタ１８、増幅器１９に入力され、最終
的には信号Ｖとして、刺激伝達回路２０を駆動するため
に刺激伝達回路２０に入力される。機械的刺激は、刺激
伝達回路２０によって前記接触子２１を介して皮膚表面
に水平な方向で人の指先に呈示される。

【００４９】このような触覚呈示装置の信号処理回路３
は、例えばコンピュータ内に、表面情報選択回路４８と
してチャートのようなものを予め作成しておき、キーボ
ードから対象物の情報Ｏｂを入力するようになってい
る。対象物の情報Ｏｂとしては例えば、服の布地の材
質、織り方などのようなものでもよい。そして、このよ
うな情報Ｏｂを受けて該当する対象物Ｐが選択される。
さらに、表面情報信号抽出回路４９では、予め時系列パ
ターン信号に変換してある対象物Ｐの表面情報の時間信
号Ｖy を、例えばテーブル等によって抽出してもよい。
また、なぞり動作信号発生回路５０は予め決められた信
号を発生するものである。

【００５０】本実施形態によれば、第一実施形態で示し
た人の触知覚特性を利用することで、なぞり動作を伴っ
た凹凸感の伝達を一方向の機械的刺激呈示だけで伝達す
ることが可能となる。また、予め知りたい対象物の触覚
情報を作成しておき、随時取り出すことができる。さら
に、実際には対象物をなぞらなくても、なぞっているよ
うな感覚を再現できることから、例えば、店頭にはない
洋服や通信販売の商品などの手触りを確認することに利
用できる。

【００５１】次に本発明の第四実施形態に係る触覚呈示
装置について、図１３を参照して説明する。図１３に示
すように、本実施形態の触覚呈示装置は、対象物１００
の表面情報に基づいた位置信号ＸおよびＹを出力する表
面情報検出回路１と、前記位置信号ＸおよびＹに基づい
て対象物の表面の凹凸パターンを電圧信号Ｖy に変換
し、位置信号Ｘを電圧信号Ｖx に変換する信号処理回路
３と、その出力信号Ｖx ，Ｖyを所定の指令信号ＶＯx
，ＶＯy に変換、出力する制御信号発生回路４と、前
記制御信号発生回路４の出力を受けて機械的刺激を人の
指先に伝達する触覚刺激素子５とを備えている。

【００５２】なお、ここでＸ，Ｙ，Ｖx ，Ｖy ，ＶＯx
，ＶＯy はそれぞれ、対象物表面の走査方向に対する
移動量、対象物表面の凹凸の深さ方向の位置、対象物表
面の走査方向に対する移動量に対応する電圧信号、対象
物表面のパターン信号、前記触覚刺激素子５を駆動する
水平方向、垂直方向の駆動信号である。

【００５３】具体的には、前記表面情報検出回路１は、
ある時間ごとに表面の凹凸の深さ情報を検出する深さ情
報検出回路６と、表面の凹凸の深さ情報に対応する同時
刻の水平方向の距離情報を検出する距離検出回路７とか
ら構成されており、それぞれによって位置信号Ｘまたは
Ｙが検出される。そして、係る出力ＸおよびＹに基づい
て、水平方向の位置出力Ｘを信号Ｖx に変換し、凹凸パ
ターンの位置出力Ｙを信号Ｖy に変換する。ここで、表
面情報検出回路１の表面走査を代替的な人のなぞり動作
としてとらえると、前記信号Ｖx はなぞり動作信号とし
て考えることができる。

【００５４】また、以上のようにして変換したなぞり信
号Ｖx と対象物の凹凸パターン信号Ｖy を、制御信号発
生回路４の可変ローパスフィルタ１８と増幅器１９によ
って、触覚刺激素子５の刺激伝達回路２０を駆動するた
めの所定の信号ＶＯx ，ＶＯy に変換する。このように
前記刺激伝達回路２０を駆動することによって、係る刺
激伝達回路２０に接続されている接触子２１から人の手
指に機械的刺激が伝達されることになる。

【００５５】このような触覚呈示装置の表面情報検出回
路１には、深さ情報検出回路６としてレーザ変位計、距
離検出回路７としてＣＣＤカメラが適用されている。ま
た、信号処理回路３は、アルゴリズムを記憶したメモリ
を搭載するコンピュータに内蔵されている。制御信号発
生回路４の可変ローパスフィルタ１８は、信号処理回路
３からの出力に応じて自動的にその周波数帯域が設定さ
れるようになっており、増幅器１９は、予め触覚伝達装
置を使用する人の知覚に合わせて調整した倍率で増幅す
るように設定されている。そして、触覚刺激素子５に
は、刺激伝達回路２０として、なぞり動作伝達のための
プーリ２０ａと表面の凹凸パターン伝達のためにボイス
コイル２０ｂが適用されている。接触子２１には、ゴム
製のベルトを用いており、その表面は知覚強度に影響を
与えないように非常に滑らかに加工されている。これら
の刺激伝達回路２０を組み合わせることによって、ボイ
スコイル２０ｂが機械的な振動を発生すると、なぞり動
作刺激が呈示されている指先に、接触子２１を介して、
表面の凹凸パターン刺激が同時に呈示される。なお、接
触子２１はシート状に加工できる素材であれば、特にゴ
ムに限定されない。

【００５６】このように第四実施形態によれば、凹凸感
の伝達をなぞり動作を伴って伝達することが可能とな
る。すなわち、実際に手指が対象物表面をなぞっている
感覚を伴うので、臨場感ある凹凸感表現を行うことがで
きる。また、人の触知覚特性を利用しているために、予
めピンなどをマトリクス状に配置してある程度の粗さを
作っておく必要がなく、信号処理だけで対象物表面の凹
凸をいろいろと表現できる。

【００５７】以下に第四実施形態の変形例を説明する。
第一の変形例では図１４に示すように、表面情報検出回
路１を複数配置し、それに対応するように複数の触覚刺
激素子５を刺激呈示部分に配置してもよい。これによっ
て、空間的に多彩な表面情報の伝達が可能になる。

【００５８】また、第二変形例では図１５に示すよう
に、表面情報検出回路１を触覚刺激素子５に搭載しても
良い。この変形例によれば、例えば表面情報検出回路１
が加速度センサやジャイロなどで、そこから移動距離を
算出し対象物の表面情報を得るための検出器を人が動か
すと同時に、その表面情報が手指に伝達されるため、な
ぞり動作による皮膚の変形の他に腕の筋肉の動きを伴う
ことから、自らが対象物を走査している感覚が強調され
て、さらに臨場感のある触覚伝達が可能になる。また、
図１３におけるボイスコイル２０ｂをベルト２０ａ上に
固設して、ベルト２０ａを往復動させるようにし、ボイ
スコイル２０ｂの振動子を接触子として手指を接触させ
るようにしてもよい。

【００５９】以上、実施形態に基づいて説明したが、本
明細書には以下の発明が含まれる。 （構成１）対象物の触覚情報を人に伝達する触覚呈示装
置において、対象物の表面情報を時系列信号に変換する
信号処理手段と、前記時系列信号を受けて所定の制御信
号を発生する制御信号発生手段と、この制御信号発生手
段から出力された信号に基づいて駆動され、人の皮膚表
面に対して水平方向に機械的刺激を呈示する触覚刺激手
段と、を具備したことを特徴とする触覚呈示装置。 （作用）対象物の触覚情報を、前記信号処理手段及び前
記入力信号発生手段によって人の触知覚特性に則って変
換し、この信号を駆動信号として前記触覚刺激手段に与
えることによって皮膚表面に対して指の表面方向に機械
的刺激を呈示する。 （効果） 上記作用によって、なぞり運動とそれに粗滑
感や凹凸感など表面の触覚情報の伝達を同時に行うこと
によって、臨場感のある触覚呈示が可能である。 （構成２）構成１の触覚呈示装置において、該触覚呈示
装置が対象物表面の凹凸パターン情報を検出する表面情
報検出手段と、前記表面情報検出手段の対象物表面の凹
凸パターンに対する時間的な変化を検出する位置信号−
時間軸信号変換手段と、前記位置信号−時間軸信号変換
手段の出力信号を時系列パターンに変換する信号処理手
段と、その時系列パターン信号を前記位置信号−時間軸
信号変換手段の出力信号に重畳させ所定の指令信号を発
生させる制御信号発生手段と、前記制御信号発生手段か
ら出力された信号に基づいて駆動することにより、皮膚
表面に対して水平方向に機械的刺激を呈示する触覚刺激
素子とを備えていることを特徴とする触覚呈示装置。 （作用） 前記位置信号−時間軸信号変換手段からの出
力に基づき、対象物の触覚情報を前記信号処理手段及び
前記制御信号発生手段によって人の触知覚特性に則って
変換し、この信号を駆動信号として前記触覚刺激素子を
皮膚表面に対して水平方向に機械的刺激を呈示する。 （効果）上記作用によって、実際の表面走査に対応した
なぞり運動と、それに伴う粗滑感や凹凸感など表面の触
覚情報の伝達を同時に行うことによって、臨場感のある
触覚呈示が可能である。 （構成３）構成２の触覚呈示装置において、前記表面情
報検出手段がある時間ごとに表面の凹凸の深さ情報を検
出する深さ情報検出手段と、表面の凹凸の深さ情報に対
応する同時刻の水平方向の距離情報を検出する距離検出
手段とを有することを特徴とする触覚呈示装置。 （作用）前記深さ情報検出手段と前記距離検出手段とか
ら各々表面凹凸の深さ情報と水平方向の距離情報を発生
する。 （効果）空間的な触覚情報を一次元の情報へそれぞれ分
離する。 （構成４）構成３の触覚呈示装置において、前記表面情
報検出手段が二次元に複数配置された構成を有すること
を特徴とする触覚呈示装置。 （作用）二次元に複数配置した表面情報検出手段によっ
て、並列的に表面情報を取り込む。 （効果）広範囲の面情報を同時に取り込むことができ
る。 （構成５）構成４の触覚呈示装置において、前記触覚刺
激素子が皮膚表面に対して面方向に二次元に複数配置さ
れた構成を有することを特徴とする触覚呈示装置。 （作用）皮膚表面に対して面方向に二次元に並列的に機
械的刺激を呈示する。 （効果）広範囲の面情報を同時に呈示することができ
る。 （構成６）構成２の触覚呈示装置において、前記位置信
号−時間軸信号変換手段がある時間毎の水平方向の距離
の差から単位時間における移動距離を算出する走査速度
演算手段と、ある時間毎の深さ方向の距離の差から深さ
方向の速度を算出する深さ速度演算手段と、前記走査速
度演算手段の出力に基づいて走査加速度を算出する走査
加速度演算手段と、前記深さ速度演算手段の出力に基づ
いて深さ方向の加速度を算出する深さ加速度演算手段
と、前記表面情報検出手段の出力を所定の信号に変換し
て発生させる走査信号発生手段とを有することを特徴と
する触覚呈示装置。 （作用）ある時間毎の水平方向の距離の差と深さ方向の
距離の差を微分することによって、それぞれの速度と加
速度を算出する。 （効果）水平方向の走査速度、加速度および深さ方向の
速度、加速度を算出する。 （構成７）構成２の触覚呈示装置において、前記信号処
理手段が深さ方向の刺激の変化に対する人の知覚強度を
表す深さ刺激知覚関数と、水平方向の刺激の変化に対す
る人の知覚強度を表す水平刺激知覚関数と、前記深さ刺
激関数と前記水平刺激知覚関数とによって、総合的な知
覚強度を表す刺激知覚関数と、前記時間変化演算手段の
出力と前記深さ情報検出手段の出力とを受けて、前記刺
激知覚関数から出力される人の総合的な知覚強度を入力
することによって、水平呈示刺激における強度変化を出
力する疑似刺激出力関数とを有することを特徴とする触
覚呈示装置。 （作用）前記変化演算手段によって算出した水平方向お
よび深さ方向の距離、速度、加速度を呈示したときの知
覚強度を所定の知覚関数から算出し、その知覚強度を水
平方向の刺激で表現するときの信号を疑似刺激出力関数
によって出力する。 （効果）空間的な触覚情報を、水平方向の刺激という一
要素の触覚信号へと変換する。 （構成８）構成７の触覚呈示装置において、深さ刺激知
覚関数が次式で表せることを特徴とする触覚呈示装置。

【００６０】 式： Ｓy ＝ｋ1 Ｙⁿ¹＋ｋ2 ｖy ⁿ²＋ｋ3 ａy ⁿ³ ここで、Ｓy は深さ方向に対する知覚強度、Ｙは深さ距
離、ｖy は深さ方向の速度、ａy は深さ方向の加速度を
表す。また、ｋ１，ｋ２，ｋ３およびｎ１，ｎ２，ｎ３
は定数である。 （作用）深さ距離Ｙ、深さ方向の速度ｖy 、深さ方向の
加速度ａy によって、深さ方向に対する知覚強度Ｓy を
算出する。 （効果）深さ情報に関する知覚強度を求めることができ
る。 （構成９）構成７の触覚呈示装置において、水平刺激知
覚関数が次式で表せることを特徴とする触覚呈示装置。

【００６１】 式： Ｓx ＝ｋ4 Ｘⁿ⁴＋ｋ5 ｖx ⁿ⁵＋ｋ6 ａx ⁿ⁶ ここで、Ｓx は水平方向に対する知覚強度、Ｘは水平方
向の移動距離、ｖx は水平方向の速度、ａx は水平方向
の加速度を表す。また、ｋ４，ｋ５，ｋ６およびｎ４，
ｎ５，ｎ６は定数である。 （作用）水平方向移動距離Ｘ、水平方向の速度ｖx 、水
平方向の加速度ａx によって、水平方向に対する知覚強
度Ｓx を算出する。 （効果）水平の皮膚変位による知覚強度を求めることが
できる。 （構成１０）構成７の触覚呈示装置において、刺激知覚
関数が次式で表せることを特徴とする触覚呈示装置。

【００６２】 式： Ｓ＝ｋ7 Ｓx ＋ｋ8 Ｓy ＋ｋ9 Ｓx Ｓy ここで、Ｓx は水平方向に対する知覚強度、Ｓy は深さ
方向に対する知覚強度、Ｓは総合的な知覚強度であり、
また、ｋ７，ｋ８，ｋ９は定数を表す。 （作用）水平方向に対する知覚強度Ｓx 、深さ方向に対
する知覚強度Ｓy から、総合的な知覚強度Ｓを算出す
る。 （効果）人がなぞり動作に伴って感じる凹凸などの表面
情報の知覚強度を求めることができる。 （構成１１）構成７の触覚呈示装置において、疑似刺激
出力関数が次式で表せることを特徴とする触覚呈示装
置。

【００６３】式： Ｖy ＝ｋ10Ｓ ここで、Ｖy は凹凸情報に対応する電圧値、Ｓは総合的
な知覚強度、ｋ10は定数である。 （作用）表面情報に関する知覚強度Ｓから触覚呈示装置
の駆動信号Ｖy を算出する。 （効果）皮膚に対して垂直な方向の皮膚変形によって生
じる対象物表面の凹凸感覚を、水平方向に刺激を発生さ
せる駆動信号として求めることができる。 （構成１２）構成２の触覚呈示装置において、前記制御
信号発生手段が前記信号処理手段からの出力を前記位置
信号−時間軸信号変換手段からの出力に対して加算する
信号加算手段と、前記信号加算手段からの出力である走
査速度に基づいた信号に対して、その出力周波数帯域を
変えることができる可変ローパスフィルタと、前記可変
ローパスフィルタからの信号を増幅する増幅器を有する
ことを特徴とする触覚呈示装置。 （作用）前記位置信号−時間軸信号変換手段からの出力
信号に対して、前記信号処理手段からの出力を重畳させ
た信号について、可変ローパスフィルタにより所定の出
力周波数帯域に設定し、増幅器により所定の大きさの信
号を生成する。 （効果）なぞり動作を再現するための信号に、水平呈示
刺激として出力するための信号を重畳させることによっ
て、水平方向の刺激という一要素だけで、なぞり動作と
空間的な触覚情報を同時に呈示することができる。ま
た、可変ローパスフィルタにより、所定の周波数帯域以
上でノイズの原因となる高調波を取り除くことができ
る。増幅器は生成した信号に対する個人の知覚のレベル
に合わせて設定することができる。 （構成１３）構成２の触覚呈示装置において、前記触覚
刺激素子が前記入力信号発生装置からの信号に基づき機
械的刺激を伝達する刺激伝達手段と、前記刺激伝達手段
に接続され人の指先にその機械的刺激を発生させる接触
子とを有することを特徴とする触覚呈示装置。 （作用）前記刺激伝達手段が前記入力信号発生装置から
の信号に基づき、振動などの機械的な刺激を発生させ
て、その刺激を接触子を介して人の指先に伝達する。 （効果）接触子を介して機械的刺激を指先に伝達するの
で、手指が直接刺激伝達手段に触れないことから、刺激
伝達手段に使用するアクチュエータの大きさに左右され
ない自由な構成が可能である。さらに直接手指が触れる
接触子の部分の小型化が容易である。 （構成１４）構成１３の触覚呈示装置において、前記刺
激伝達手段がボイスコイルであることを特徴とする触覚
呈示装置。 （作用）機械的刺激を発生する。 （効果）電気的に制御できて時間応答性もよく、ＤＣ以
上の広範囲の周波数での使用が可能である。 （構成１５）構成１３の触覚呈示装置において、前記刺
激伝達手段が圧電アクチュエータまたは圧電素子である
ことを特徴とする触覚呈示装置。 （作用）機械的刺激を発生する。 （効果）電気的に制御できて時間応答性もよく、構成の
しかたによって刺激の方向を選ぶことができる。 （構成１６）構成１３の触覚呈示装置において、前記刺
激伝達手段が電気粘弾性アクチュエータまたは電気粘弾
性素子であることを特徴とする触覚呈示装置。 （作用）機械的刺激を発生する。 （効果）電気的に制御できて時間応答性もよく、構成の
しかたによって刺激の方向を選択、増加することができ
る。 （構成１７）構成１３の触覚呈示装置において、前記刺
激伝達手段が磁気粘弾性アクチュエータまたは磁気粘弾
性素子であることを特徴とする触覚呈示装置。 （作用）機械的刺激を発生する。 （効果）電気的に制御できて時間応答性もよく、構成の
しかたによって刺激の方向を選択、増加することができ
る。 （構成１８）構成１３の触覚呈示装置において、前記刺
激伝達手段が磁気ソレノイドであることを特徴とする触
覚呈示装置。 （作用）機械的刺激を発生する。 （効果）電気的に制御でき、大きな発生力量を得ること
ができる。 （構成１９）構成１３の触覚呈示装置において、前記刺
激伝達手段が磁歪アクチュエータまたは磁歪素子である
ことを特徴とする触覚呈示装置。 （作用）機械的刺激を発生する。 （効果）電気的に制御できて時間応答性もよく、構成の
しかたによって刺激の方向を選ぶことができる。 （構成２０）構成１３の触覚呈示装置において、前記刺
激伝達手段がケモメカニカルゲルアクチュエータである
ことを特徴とする触覚呈示装置。 （作用）機械的刺激を発生することができる。 （効果）電気的、化学的に制御でき、大きな変位量を得
ることができる。 （構成２１）構成１３の触覚呈示装置において、前記接
触子は指先が触れる部分に人が知覚できる程度の凹凸が
ないように予め研磨されていることを特徴とする触覚呈
示装置。 （作用）前記接触子から、駆動信号による粗滑感以外の
情報を与えない。 （効果）粗滑感などの知覚にオフセットが生じて、所定
の感覚表現ができなくなることを防止するとともに、粗
細感の他に、表面粗さが非常に小さいために所定の駆動
方法によりつるつるした感じまでも表現できる。 （構成２２）構成１記載の触覚呈示装置において、該触
覚呈示装置が仮想空間内の対象物表面の凹凸パターン情
報を作成する仮想表面情報作成手段と、仮想空間内の対
象物表面を視覚的に表示する視覚呈示装置と、仮想空間
内の対象物表面を走査する仮想表面走査手段と、前記仮
想走査手段の出力をなぞり動作信号に変換して出力する
なぞり信号生成手段と、前記仮想走査手段の出力に基づ
いて、前記仮想表面情報作成手段によって作成された仮
想的な対象物表面の凹凸パターン情報を時系列パターン
に変換する仮想信号処理手段と、その時系列パータン信
号を前記仮想表面走査手段の出力信号に重畳させ所定の
指令信号を発生させる仮想制御信号発生手段と、前記仮
想制御信号発生手段から出力された信号に基づいて駆動
することにより皮膚表面に対して水平方向に機械的刺激
を呈示する触覚刺激素子とを備えていることを特徴とす
る触覚呈示装置。 （作用）前記仮想表面情報作成手段と前記仮想表面走査
手段からの出力に基づき、仮想対象物の触覚情報を前記
仮想信号処理手段及び前記仮想制御信号発生手段によっ
て人の触知覚特性に則って変換し、この信号を駆動信号
として前記触覚刺激素子を皮膚表面に対して水平方向に
機械的刺激を呈示する。 （効果）上記作用によって、実際に存在しない対象物に
関して、その仮想的な触覚情報を作成、粗滑感や凹凸感
などに対応するように所定の駆動信号に変換して、表面
走査に対応したなぞり運動とともに人に伝達することに
より、あたかも実際の対象物に触れているような感覚を
与えることができる。 （構成２３）構成２２の触覚呈示装置において、前記仮
想表面情報作成手段が所定の仮想対象物を表現する最適
な物理量の種類及び強度を選択する仮想物理量抽出手段
と、実対象物において計測した物理量の強度によって人
が知覚する認知量の強度との関係を表す物理知覚関数
と、前記物理知覚関数と、その複数の認知量の強度を組
み合わせることで生じる人の心理量の強度との関係を表
す知覚心理関数とからなることを特徴とする触覚呈示装
置。 （作用）前記仮想物理量抽出手段は表現したい対象物の
物理量の種類及び強度に関する知識を抽出し、それを物
理知覚関数に入力し複数の認知量からなる人の心理的な
イメージとその知覚強度が知覚心理関数によって出力さ
れる。 （効果）表現したい対象物の物理量と、それに対する人
の心理的イメージとの相関が予測できる。 （構成２４）構成２３の触覚呈示装置において、仮想物
理量抽出手段が光学的な物理量の種類及びその強度を選
択する視覚的物理量抽出手段と、機械的な物理量の種類
及びその強度を選択する触覚的物理量抽出手段とからな
ることを特徴とする触覚呈示装置。 （作用）対象物の物理量とその強度を視覚的なものと触
覚的なものとを別々に抽出する。 （効果）抽出後の視覚的な信号処理と触覚的な信号処理
の過程を容易に分離できる。 （構成２５）構成２３の触覚呈示装置において、物理知
覚関数が前記光学的な物理量と、それを呈示したときに
人が知覚する視覚的認知量との関係を表す視覚的物理知
覚関数と、前記機械的な物理量と、それを呈示したとき
に人が知覚する視覚的認知量との関係を表す触覚的物理
知覚関数とからなり、これらが次式で定義されることを
特徴とする触覚呈示装置。

【００６４】式： Ｓl,m ＝ｋ11Ｐⁿ l,m ここで、ｌは視覚的物理知覚関数と触覚的物理知覚関数
の区別、ｍは物理量の種類、Ｓは人の認知量、Ｐは刺激
強度を表し、ｎおよびｋ11は定数である。 （作用）仮想的な対象物のある物理量に対応するある知
覚量の種類について、その強度相関を表す視覚的物理知
覚関数と触覚的物理知覚関数とにより視覚的な知覚強度
と視覚的な知覚強度とを別々に求める。 （効果）視覚的なものと触覚的なものとの両者につい
て、表現したい対象物のある物理量とそれに対する人の
ある知覚強度を個別に算出することができる。 （構成２６）構成２３の触覚呈示装置において、知覚心
理関数が前記視覚的物理知覚関数からの各種出力を組み
合わせてそのときの視覚的な心理量を求める視覚的知覚
心理関数と、前記触覚的物理知覚関数からの各種出力を
組み合わせてそのときの触覚的心理量を求める触覚的知
覚心理関数とを有し、これらが次式で定義されることを
特徴とする触覚呈示装置。

【００６５】式： Ｓl ＝ΣＳl,m ここで、ｌは視覚的物理知覚関数と触覚的物理知覚関数
の区別、ｍは物理量の種類、Ｓは人の認知量を表す。 （作用）前記視覚的物理知覚関数によって求めた複数の
知覚から生じる総合的な視覚的心理イメージと、前記触
覚的物理知覚関数によって求めた複数の知覚から生じる
総合的な触覚的心理イメージの強度を別々に求める。 （効果）視覚的なものと触覚的なものとの両者につい
て、表現したい対象物の複数の物理量とそれに対する人
の複数の知覚強度から、統合された心理量を心理的イメ
ージとして個別に算出することができる。 （構成２７）構成２２の触覚呈示装置において、前記視
覚表示装置が前記仮想表面情報作成手段からの出力に基
づいて視覚的表示信号に変換する視覚信号変換手段と、
前記視覚信号変換手段からの出力を人の視覚に表示する
視覚表示手段とを有することを特徴とする触覚呈示装
置。 （作用）前記仮想触覚知識手段から、対象物に対する視
覚的な人の心理的イメージを人に励起させるような条
件、情報を取り出し、その条件、情報から視覚信号変換
手段と視覚表示手段とによって対象物を視覚的に表現す
る。 （効果）対象物を明確にし、それに対して予め人に触覚
イメージを抱かせる。 （構成２８）構成２２の触覚呈示装置において、前記仮
想表面走査手段が仮想対象物表面の触覚情報を得たい位
置を間接的に選択、移動するための仮想位置検出手段
と、前記視覚表示装置における前記検出部分表示手段の
位置をある一定時間ごとにサンプリングして移動距離を
出力する仮想位置検出手段とを有することを特徴とする
触覚呈示装置。 （作用）前記視覚表示手段によって表示されている対象
物の一部を、検出部分移動手段を用いて間接的に移動、
選択し、選択部分を表示するための信号を、前記視覚表
示装置および前記仮想信号処理手段、前記なぞり信号生
成手段へ出力する。 （効果）仮想対象物の触覚情報を自由に選択できるとと
もに、前記仮想位置検出手段の出力を前記視覚表示装置
にフィードバックしてその選択部分を表示し、さらにな
ぞり動作の呈示を行うための信号として得ることができ
る。 （構成２９）構成２２の触覚呈示装置において、仮想信
号処理手段が前記触覚的知覚心理関数からの出力を内部
に記憶しておき、前記仮想表面走査手段の出力を受け
て、その位置の触覚的心理量（知覚強度）を選択する触
知覚強度選択手段と、仮想的対象物の凹凸パターン情報
として、そのときの知覚強度と同等の知覚を表す水平呈
示刺激の信号を生成、出力する仮想信号生成手段とを有
することを特徴とする触覚呈示装置。 （作用）前記触覚的知覚心理関数を前記仮想位置検出手
段の出力に対して相対的に変換し、そのときの知覚強度
を水平方向の刺激で表現するための信号を仮想刺激出力
関数によって出力する。 （効果）空間的な触覚情報を、水平方向の刺激という一
要素の触覚信号へと変換する。 （構成３０）構成２２の触覚呈示装置において、前記仮
想制御信号発生手段が前記仮想信号処理手段からの出力
を、次式によって、前記なぞり信号生成手段からの出力
に加算する仮想信号加算手段と、前記仮想信号加算手段
からの出力に対してその出力周波数帯域を変えることが
できる可変ローパスフィルタと、前記ローパスフィルタ
からの信号を増幅する増幅器を有することを特徴とする
触覚呈示装置。

【００６６】式： Ｖo ＝Ｖx ＋Ｖy ここで、Ｖx はなぞり動作に対する電圧信号、Ｖy は対
象物の触覚情報信号、Ｖo は可変ローパスフィルタに入
力する駆動信号である。 （作用）前記なぞり信号生成手段の出力信号に対して、
前記仮想信号生成手段からの出力を重畳させた信号につ
いて、可変ローパスフィルタにより所定の出力周波数帯
域に設定し、増幅器により所定の大きさの信号を生成す
る。 （効果）なぞり動作を再現するための信号に、水平呈示
刺激として出力するための信号を重畳させることによっ
て、水平方向の刺激という一要素だけで、なぞり動作と
空間的な触覚情報を同時に呈示することができる。ま
た、可変ローパスフィルタにより、所定の周波数帯域以
上でノイズの原因となる高調波を取り除くことができ
る。増幅器は生成した信号に対する個人の知覚レベルに
合わせて設定することができる。 （構成３１）構成２２の触覚呈示装置において、前記触
覚刺激素子が前記仮想制御信号発生装置からの信号に基
づき機械的刺激を伝達する仮想刺激伝達手段と、前記仮
想刺激伝達手段に接続され人の指先にその機械的刺激を
発生させる接触子とを有することを特徴とする触覚呈示
装置。 （作用）前記刺激伝達手段が前記入力信号発生装置から
の信号に基づき、振動などの機械的な刺激を発生させ
て、その刺激を接触子を介して人の指先に伝達する。 （効果）接触子を介して機械的刺激を指先に伝達するの
で、直接手指が刺激伝達手段に触れないことから、刺激
伝達手段に使用するアクチュエータの大きさに左右され
ない自由な構成が可能である。さらに直接手指が触れる
接触子の部分の小型化が容易である。 （構成３２）構成３１の触覚呈示装置において、前記仮
想刺激伝達手段がボイスコイルであることを特徴とする
触覚呈示装置。 （作用）機械的刺激を発生する。 （効果）電気的に制御できて時間的応答性もよく、ＤＣ
以上の広範囲の周波数での使用が可能である。 （構成３３）構成３１の触覚呈示装置において、前記仮
想刺激伝達手段が圧電アクチュエータまたは圧電素子で
あることを特徴とする触覚呈示装置。 （作用）機械的刺激を発生する。 （効果）電気的に制御できて時間的応答性もよく、構成
のしかたによって刺激の方向を選ぶことができる。 （構成３４）構成３１の触覚呈示装置において、前記仮
想刺激伝達手段が電気粘弾性アクチュエータまたは電気
粘弾性素子であることを特徴とする触覚呈示装置。 （作用）機械的刺激を発生する。 （効果）電気的に制御できて時間的応答性もよく、構成
のしかたによって刺激の方向を選択、増加することがで
きる。 （構成３５）構成３１の触覚呈示装置において、前記仮
想刺激伝達手段が磁気粘弾性アクチュエータまたは磁気
粘弾性素子であることを特徴とする触覚呈示装置。 （作用）機械的刺激を発生する。 （効果）電気的に制御できて時間的応答性もよく、構成
のしかたによって刺激の方向を選択、増加することがで
きる。 （構成３６）構成３１の触覚呈示装置において、前記仮
想刺激伝達手段が電磁ソレノイドであることを特徴とす
る触覚呈示装置。 （作用）機械的刺激を発生する。 （効果）電気的に制御でき、大きな発生力量を得ること
ができる。 （構成３７）構成３１の触覚呈示装置において、前記仮
想刺激伝達手段が磁歪アクチュエータ又は磁歪素子であ
ることを特徴とする触覚呈示装置。 （作用）機械的刺激を発生する。 （効果）電気的に制御できて時間応答性もよく、構成の
しかたによって刺激の方向を選ぶことができる。 （構成３８）構成３１の触覚呈示装置において、前記仮
想刺激伝達手段がケモメカニカルゲルアクチュエータで
あることを特徴とする触覚呈示装置。 （作用）機械的刺激を発生することができる。 （効果）電気的、化学的に制御でき、大きな変位量を得
ることができる。 （構成３９）構成３１の触覚呈示装置において、前記接
触子は指先が触れる部分に人が知覚できる程度の凹凸が
ないように予め研磨されていることを特徴とする触覚呈
示装置。 （作用）前記接触子から、駆動信号による粗滑感以外の
情報を与えない。 （効果）粗滑感などの知覚にオフセットが生じて、所定
の感覚表現ができなくなることを防止するとともに、粗
細感の他に、表面粗さが非常に小さいために所定の駆動
方法によりつるつるした感じまでも表現できる。 （構成４０）構成１の触覚呈示装置において、該触覚呈
示装置が予め伝達したい対象物と、その表面情報の時系
列信号を作成しておき、外部から対象物を選択すること
によって所定の信号を発生させる信号処理手段と、その
時系列信号を受けて所定の制御信号を発生させる制御信
号発生手段と、前記制御信号発生手段から出力された信
号に基づいて駆動することにより、皮膚表面に対して水
平方向に機械的刺激を呈示する触覚刺激素子とを備えて
いることを特徴とする触覚呈示装置。 （作用）外部から対象物を選択するための指令信号を前
記信号処理手段に入力し対象物の表面情報を前記信号処
理手段から信号として出力する。前記制御信号発生手段
において、この出力信号となぞり信号とから駆動信号を
作成し、前記触覚刺激素子に入力することによって、皮
膚表面に対して水平方向に機械的刺激を呈示する。 （効果）上記作用によって、実際に触れることができな
い状態にある対象物に関して、その触覚情報を予め作成
しておき、粗滑感や凹凸感などに対応するように所定の
駆動信号に変換して、表面走査に対応したなぞり運動と
ともに人に伝達することにより、あたかも実際の対象物
に触れているような感覚を与えることができる。 （構成４１）構成４０の触覚呈示装置において、信号処
理手段が外部からの指令信号により、予め内部に作成し
ておいた対象物を選択する表面情報選択手段と、前記表
面情報選択手段によって選択された対象物の表面情報に
対応する所定の駆動信号を抽出、出力する表面情報信号
抽出手段とからなることを特徴とする触覚呈示装置。 （作用）外部から前記表面情報選択手段に入力された指
令信号に基づいて、伝達したい対象物を選択し、その対
象物の表面情報に関係する時間的信号を前記表面情報信
号抽出手段から抽出、出力する。 （効果）対象物を適宜選択することによって、自動的に
対象物に関する信号を発生させることができる。 （構成４２）構成４０の触覚呈示装置において、制御信
号発生手段が予め作成しておいた人のなぞり動作に対す
る駆動信号を発生させるなぞり動作信号発生手段と、前
記なぞり動作信号発生手段からの出力と表面情報信号抽
出手段からの出力とを加算する信号加算手段と、前記信
号加算手段からの出力に対してその出力周波数帯域を変
えることができる可変ローパスフィルタと、前記ローパ
スフィルタからの信号を増幅する増幅器を有することを
特徴とする触覚呈示装置。 （作用）前記なぞり動作信号発生手段からの出力信号に
対して、前記信号処理手段からの出力を重畳させた信号
について、可変ローパスフィルタにより所定の出力周波
数帯域に設定し、増幅器により所定の大きさの信号を生
成する。 （効果）なぞり動作を再現するための信号に、水平呈示
刺激として出力するための信号を重畳させることによっ
て、水平方向の刺激という一要素だけで、なぞり動作と
空間的な触覚情報を同時に呈示することができる。ま
た、可変ローパスフィルタにより、所定の周波数帯域以
上でノイズの原因となる高調波を取り除くことができ
る。増幅器は生成した信号に対する個人の知覚のレベル
に合わせて設定することができる。 （構成４３）構成４０の触覚呈示装置において、前記触
覚刺激素子が前記制御信号発生装置からの信号に基づき
機械的刺激を伝達する刺激伝達手段と、前記刺激伝達手
段に接続され人の指先にその機械的刺激を発生させる接
触子とを有することを特徴とする触覚呈示装置。 （作用）前記刺激伝達手段が前記入力信号発生装置から
の信号に基づき、振動などの機械的な刺激を発生させ
て、その刺激を接触子を介して人の指先に伝達する。 （効果）接触子を介して機械的刺激を指先に伝達するの
で、直接指先が刺激伝達手段に触れないことから、刺激
伝達手段に使用するアクチュエータの大きさに左右され
ない自由な構成が可能である。さらに直接手指が触れる
接触子の部分の小型化が容易である。 （構成４４）対象物の触覚情報を人に伝達する触覚呈示
装置において、該触覚呈示装置が対象物の表面情報を時
系列信号に変換する信号処理手段と、その時系列信号を
受けて所定の制御信号を発生させる制御信号発生手段
と、この制御信号発生手段から出力された信号に基づい
て駆動することにより、皮膚表面に対して垂直方向に機
械的刺激を呈示する触覚刺激素子とともに、皮膚表面に
対して水平方向に機械的刺激を呈示する触覚刺激素子と
を備えていることを特徴とする触覚呈示装置。 （作用）対象物の触覚情報を、前記信号処理手段及び前
記制御信号発生手段によって所定の信号に変換し、この
信号を駆動信号として前記触覚刺激素子を皮膚表面に対
して、水平方向と垂直方向とに機械的刺激を呈示する。 （効果）上記作用によって、なぞり運動とそれに伴う粗
滑感や凹凸感など表面の触覚情報の伝達を同時に行うこ
とによって、臨場感のある触覚呈示が可能である。

【００６７】（構成４５）構成４４の触覚呈示装置にお
いて、該触覚呈示装置が対象物表面の凹凸パターン情報
を検出する表面情報検出手段と、前記走査速度検出手段
の出力信号を時系列パターンに変換する信号処理手段
と、その時系列パターン信号と前記走査速度検出手段の
出力信号を発生させる制御信号発生手段と、前記制御信
号発生手段から出力された信号に基づいて駆動すること
により、皮膚表面に対して垂直方向に機械的刺激を呈示
するとともに、皮膚表面に対して水平方向に機械的刺激
を呈示する触覚刺激素子とを備えていることを特徴とす
る触覚呈示装置。 （作用）表面情報検出手段からの出力に基づき、対象物
の触覚情報を信号処理手段及び制御信号発生手段によっ
て所定の信号に変換し、この信号を駆動信号として前記
触覚刺激素子を皮膚表面に対して、水平方向と垂直方向
とに機械的刺激を呈示する。 （効果）上記作用によって、実際の表面走査に対応した
なぞり運動と、それに伴う粗滑感や凹凸感など表面の触
覚情報の伝達を同時に行うことによって、臨場感ある触
覚呈示が可能である。 （構成４６）構成４５の触覚呈示装置において、前記表
面情報検出手段が、ある時間ごとに表面の凹凸の深さ情
報を検出する深さ情報検出手段と、表面の凹凸の深さ情
報に対応する同時刻の水平方向の距離情報を検出する距
離検出手段とを有することを特徴とする触覚呈示装置。 （作用）前記深さ情報検出手段と前記距離検出手段とか
ら各々表面凹凸の深さ情報と水平方向の距離情報を発生
する。 （効果）空間的な触覚情報を一次元の情報へそれぞれ分
離する。 （構成４７）構成４６の触覚呈示装置において、前記表
面情報検出手段が二次元に複数配置された構成を有する
ことを特徴とする触覚呈示装置。 （作用）二次元に複数配置した表面情報検出手段によっ
て、並列的に表面情報を取り込む。 （効果）広範囲の面情報を同時に取り込むことができ
る。 （構成４８）構成４７の触覚呈示装置において、前記触
覚刺激素子が皮膚表面に対して面方向に二次元に複数配
置された構成を有することを特徴とする触覚呈示装置。 （作用）皮膚表面に対して面方向に二次元に並列的に機
械的刺激を呈示する。 （効果）広範囲の面情報を同時に呈示することができ
る。 （構成４９）請求項４５の触覚呈示装置において、前記
信号処理手段が前記表面情報検出手段の対象物表面の水
平方向の位置信号Ｘを電圧信号Ｖx に変換し、凹凸パタ
ーンの深さ方向の位置変化Ｙを電圧信号Ｖy に変換する
ことを特徴とする触覚呈示装置。 （作用）表面情報検出手段からの出力信号Ｘ，Ｙに基づ
いて、変位と電圧信号が比例関係にあるなぞり動作と表
面の凹凸パターンの電圧信号を出力する。 （効果）水平方向および深さ方向の変位に基づいた信号
を出力する。 （構成５０）構成４５の触覚呈示装置において、前記制
御信号発生手段が前記信号処理手段からのなぞり信号と
凹凸パターン信号に対して、その出力周波数帯域を変え
ることのできる可変ローパスフィルタと、前記ローパス
フィルタからの信号を増幅する増幅器を有することを特
徴とする触覚呈示装置。 （作用）前記信号処理手段からの出力信号である、なぞ
り信号と凹凸パターン信号に対して、可変ローパスフィ
ルタにより所定の出力周波数帯域に設定し、増幅器によ
り所定の大きさの信号を生成する。 （効果）可変ローパスフィルタにより、所定の周波数帯
域以上でノイズの原因となる高調波を取り除くことがで
きる。増幅器は生成した信号に対する個人の知覚のレベ
ルに合わせて設定することができる。

【００６８】

【発明の効果】本発明によれば、実際の表面走査に対応
したなぞり運動とそれに伴う粗滑感や凹凸感など表面の
触覚情報の伝達を同時に行なうようにしたので、臨場感
ある触覚呈示が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施形態の構成を示す図である。

【図２】本発明の第一実施形態の詳細図である。

【図３】皮膚表面に水平でかつ指に対して長手方向に機
械的に皮膚変形を呈示したときの機械刺激の速さと方向
判別度の関係を示す図である。

【図４】本発明の第一実施形態の第一の変形例を示す図
である。

【図５】本発明の第一実施形態の第二の変形例を示す図
である。

【図６】本発明の第一実施形態の第三の変形例を示す図
である。

【図７】本発明の第二実施形態の構成を示す図である。

【図８】本発明の第二実施形態の詳細図である。

【図９】本発明の第二実施形態の第一の変形例を示す図
である。

【図１０】本発明の第二実施形態の第二の変形例を示す
図である。

【図１１】本発明の第三実施形態の構成を示す図であ
る。

【図１２】本発明の第三実施形態の詳細図である。

【図１３】本発明の第四実施形態の構成を示す図であ
る。

【図１４】本発明の第四実施形態の第一の変形例を示す
図である。

【図１５】本発明の第四実施形態の第二の変形例を示す
図である。

【図１６】従来の触覚呈示装置の第１の例を説明するた
めの図である。

【図１７】従来の触覚呈示装置の第２の例を説明するた
めの図である。

【符号の説明】

１…表面情報検出回路、２…位置信号−時間軸信号変換
回路、３…信号処理回路、４…制御信号発生回路、５…
触覚刺激素子、６…距離検出回路、７…深さ情報検出回
路、８…走査速度演算回路、９…深さ速度演算回路、１
０…走査加速度演算回路、１１…深さ加速度演算回路、
１２…走査信号発生回路、１３…水平刺激知覚関数、１
４…深さ刺激知覚関数、１５…刺激知覚関数、１６…疑
似刺激出力関数、１７…信号加算回路、１８…可変ロー
パスフィルタ、１９…増幅器、２０…刺激伝達回路、２
１…接触子。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対象物の触覚情報を人に伝達する触覚呈
   示装置において、 対象物の表面情報を時系列信号に変換する信号処理手段
   と、 前記時系列信号を受けて所定の制御信号を発生する制御
   信号発生手段と、 この制御信号発生手段から出力された信号に基づいて駆
   動され、人の皮膚表面に対して水平方向に機械的刺激を
   呈示する触覚刺激手段と、 を具備したことを特徴とする触覚呈示装置。
2. 【請求項２】 前記触覚刺激手段が、さらに人の皮膚表
   面に対して垂直方向に機械的刺激を呈示することを特徴
   とする請求項１記載の触覚呈示装置。