JP2000089895A

JP2000089895A - 触力覚呈示装置

Info

Publication number: JP2000089895A
Application number: JP27659598A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Sakamaki; 克己坂巻; Kazuyuki Tsukamoto; 一之塚本; Yukari Kokatsu; ゆかり小勝
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1998-09-12
Filing date: 1998-09-12
Publication date: 2000-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】人が対象物に手指を触れたときに感じる対象
物の凹凸や軟硬等の触覚および力覚を、あらかじめ取得
され記憶されている電子情報に基づいて呈示する。【解決手段】磁性材料からなる函体１０の上面に沿っ
た位置に多数の呈示素子１１を配列し、磁性材料からな
るガイド部材１２によって上記函体の上面に対して進退
可能に支持する。函体の底部に磁石１３を設けることに
よって、該函体及びガイド部材がヨークとして機能し、
各呈示素子の周囲にある上面板１０ｄと呈示素子内のガ
イド部材との間に磁界が形成される。一方、各呈示素子
の側部にはコイルが設けられており、記憶されている情
報に基づいて制御された電流を電源からコイルに通電す
ることにより推力が生じ、制御された位置に呈示素子が
移動する。また、ガイド部材には変位センサが設けられ
ており、外力によって呈示素子が変位すると、検知され
た変位に対応する推力すなわち反力が付与される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人が対象物を手指
に触れたときに感じる対象物の凹凸や軟硬などの触覚及
び力覚を呈示する触力覚呈示装置に係り、具体的には、
遠隔的に或いはデータベースとして記憶されている触力
覚情報、または、計算機からの計算出力に基づく形状情
報もしくは力学情報などを人に伝達するための触力覚呈
示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】人が対象物に手指で触れたときに感じる
凹凸や軟硬などの感覚は、主に触覚、力覚として認識さ
れる。本出願では、触覚と力覚との使い分けとして、触
覚とは、皮膚感覚であるざらつき感や平滑さ、細かい凹
凸、摩擦感などの粗滑感を意味し、力覚とは、手首や指
の曲げ動作や筋肉の緊張・弛緩を伴う比較的大きな反力
と変形との関係が主体で、慣性感や弾性感、粘性感など
が主であると位置づける。本願に係る発明では、双方の
機能が含まれるため、触力と力覚とを合わせて触力覚と
表現する。

【０００３】このような触力覚の果たす役割は、対象物
を認知、判断する場合に、その対象物に直接手や指で触
れることによって、対象物表面の粗滑感や凹凸感の他、
視覚では把えられない重さなどを感じ取り、その体感を
他の情報等と合わせて複雑な判断・決定を可能とするこ
とである。

【０００４】それに対して、直接、手指で触れることの
できない博物館の所蔵品や遠方の物体、また、パソコン
画面上に表示されるインターネット中の素材情報、電子
辞書・辞典などのさまざまなアプリケーションソフトに
よって画面上に表示される情報は、視覚的に対象物を認
識できても、その雰囲気や体感を直接に感じ取ることは
できず、人は頭の中でこれらの情報の欠落部分を憶測し
て補完している。このような視覚だけの単一様式の情報
による認知の深さは、触力覚を伴う場合よりも軽薄なも
のとなり、その結果、記憶としてのあいまいさや、判断
の過ちをおかすなどの問題がある。

【０００５】このため、コンピュータを中心としたデジ
タル化した情報のやりとりでは、複数様式（マルチモー
ダル）の情報を用いることでより高い理解が得られると
考えられ、視覚のみではなく触覚・力覚を含む情報の伝
達・蓄積が望まれる。

【０００６】また、視覚障害の人にとって、触覚の果た
す役割は、視覚機能を代用する重要な感覚器であること
は言うまでもない。触覚により情報を伝達する装置とし
て、点字用ディスプレイが比較的古くから提案されてお
り、例えば特開昭５９−１９８４８３号公報、特開平２
−５０８１号公報に記載される装置がある。特開昭５９
−１９８４８３号公報に記載の装置は、マトリックス状
に配列された点字用の複数のピンを備え、各ピンをそれ
ぞれ形状記憶合金からなる支持体によって支持し、伝達
しようとする文字情報等に基づいてピンを突出又は後退
させるように支持体を加熱するものである。

【０００７】特開平２−５０８１号公報に記載の装置
は、多数の貫通穴がマトリックス状に配列されたフレー
ムに該貫通穴を出入り可能なピンが挿通され、各ピンを
フレームから突出し、あるいは引き込むように個別に移
動させる駆動部を備えている。そして、コンピュータ等
からの信号を点字パターンに変換し、該パターンに各ピ
ンが対応するように駆動部を制御するものである。

【０００８】これらの装置は、共に複数のピンが上下方
向にオン、オフ動作をして点字コードを出力するもので
あり、オン、オフの２値の情報である点字を表現するも
のに留まっている。

【０００９】また、触覚や力覚を利用して情報の表示や
交信を行う装置として、特開平３−１４６７４号公報に
は、取付板に摺動可能に貫通した多数のピンと、ピンの
それぞれを取付板内に没する方向に付勢する付勢手段と
を備える装置が提案されている。この装置は、取付板と
平行な昇降板を移動して全てのピンを同時に最高位置ま
で突出させた後、昇降板を降下してこれらのピンを後退
させ、ブレーキ機構により各ピンを上下方向の任意の位
置で係止させるようにしたものである。

【００１０】また、実開平５−９６８６３号公報には、
三次元のピンディスプレイとして、複数配置されたピン
が各々駆動源によって駆動され、高さ方向の任意の位置
に係止される構成の装置が提案されている。

【００１１】さらに、指先に空間内の一点の触力覚を伝
達する装置として、米国特許第一号公報ＵＳＰ５６２５
５７６、ＵＳＰ５５８７９３９に記載される技術があ
る。指先に触覚情報を呈示する構成は、リンク機構を用
いたロボットマニピュレータを小型化し、マニピュレー
タの先端部分に指が挿入できるサックを設けたものであ
る。そして、指をその中に入れ、コンピュータの画面上
に現れるポインタ（指先の三次元空間座標内における位
置に相当）を参照しながら指を動作し、画面上の物体の
凹凸感や、軟硬感を感じ取るものである。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の技術では、以下に示すような問題点があ
る。特開昭５９−１９８４８３号公報、特開平２−５０
８１号公報に記載の装置は、複数のピンのそれぞれが突
出した状態か後退した状態かの２値的な表現能力しか持
っていないため、点字というコード情報を表現する機能
しか有していない。そのため、アナログ的な凹凸を有す
る形態の認知や、対象物の硬軟感などを認知することは
不可能である。

【００１３】また、特開平３−１４６７４号公報や実開
平５−９６８６３号公報に記載の装置は、多数のピンを
三点以上の高さで停止することができるため、２値的な
点字コードよりも複雑な情報を呈示できるという利点が
ある。しかし、複数のピンはそれぞれ静止した状態を維
持することしかできず、硬軟感等の対象物の力覚は表現
されない。一般に、人が対象物の触力覚情報を知りたい
場合、正確な情報を得るために対象物に直接触るととも
に、触る対象によって適切な動作を行っている。つま
り、表面の粗さや細かい凹凸ならば、なぞったり、こす
ったりする動作を行い、表面の固さや柔らかさを確かめ
るときは、押したり引っ張ったりといった動作で判断す
る。したがって、上記特開平３−１４６７４号、実開平
５−９６８６３号公報に記載の装置では、触力覚情報を
充分に伝達することができず、様々な物体情報を正確に
伝達するには充分なものではない。

【００１４】一方、ＵＳＰ５６２５５７６、ＵＳＰ５５
８７９３９に開示される技術は、ひとつの指先に触力覚
情報を呈示するもので、この方式の場合、形状や硬軟感
の認知が可能となる。しかし、指先の一点にこれらの情
報が作用するため、目を閉じると認知度が極端に低下し
てしまう。通常、人は温度を検知するときは指先だけで
用心深く触る行為をするが、それ以外では複数の指を使
い感触をみたり、掌全体を使って形状情報を瞬時に認知
することが自然に行われる。つまり、一本の指では、空
間の一点の情報を時系列的に人の脳に入力することにな
るため、頭の中で改めて指の触れた軌跡を積分する行為
が必要になる。これは非常に非効率であるため、実際に
は、人は掌や複数の指によって瞬時にある面積に渡った
物体の情報を獲得しようとする。ところが、上記のよう
に指先の一点にしか情報が伝達されない装置では、対象
物が何を意味するものかを理解するのに、多くのなぞり
動作や、コンピュータ画面による対象物の画像情報の補
完が必要となり、人の自然な認知動作からはかけ離れた
ものとなる。

【００１５】上記のように触力覚呈示手段としての理想
は、指先の一点ではなく、一貫性の高い面状の呈示手段
であると考えられるが、そのためには、呈示部材が高い
集積度で面を形成していることが望ましい。上記実開平
５−９６８６３号公報に記載の装置では、呈示部材であ
るピンの一つ一つを独立に駆動させるモータが設けられ
ており、この方式では呈示部材を小型化するには限界が
ある。また、仮に小型化して集積度を向上させても、個
々のモータの出力が小さくなり、反力を制御するという
機能を果たせない状態となってしまう。

【００１６】以上のように、空間位置座標に反力情報を
含んだ触力覚情報を、指や手などの受容器官によって一
貫性の高い方法で認識するという、本来の自然な体感情
報の獲得機能に対して、従来の複数のピンによる面型の
呈示手段、又はマニピュレータ型の指先に情報を呈示す
る装置のいずれにおいても、充分な目的を達成すること
ができない。

【００１７】本発明は、上記のような問題点に鑑みてな
されたものであり、その目的は、あらかじめ取得・蓄積
された情報に基づいて触力覚を再現し、呈示することが
できる触力覚呈示装置を提供することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本願発明に係る触力覚呈示装置は、所定の平面又
は曲面に沿った位置に配列され、該平面又は曲面に対し
て進退が可能に支持された複数の呈示素子と、前記呈
示素子を支持する基部と、前記呈示素子のそれぞれを
独立して進退方向に駆動するとともに、該呈示素子に外
力が作用するときには反力を付与する駆動装置を有する
ものとする。

【００１９】このような構成を有する触力覚呈示装置で
は、複数の呈示素子が所定の平面又は曲面に対して進退
方向に駆動され、それぞれの呈示素子の突出量を制御す
ることによって形状に関する感覚が再現される。そし
て、この呈示素子に外力が作用したとき、すなわち手で
触れたとき、押し付けて呈示素子を変化させようとした
ときの反力を制御することができるので、硬軟感、弾力
感等の力覚を再現することができる。つまり、人が手を
押し付けたときの変化の量とその時に感じる反力の大き
さから、硬い、軟らかいといった感覚を感知することが
できる。

【００２０】上記呈示素子は、駆動装置によって進退方
向に駆動されるものであるが、請求項２に記載の触力覚
呈示装置のように、３点以上の位置を任意に選択し、そ
の位置に呈示素子を保持できるようになっているので、
複数の呈示素子のそれぞれについて選択する位置を適切
に設定することによって、形状情報を再現することがで
きる。そして、呈示素子が維持される位置は、３点以上
で多い方か望ましく、多くの位置が選択できることによ
って、なめらかで正確な形状を呈示することが可能とな
る。

【００２１】上記呈示素子のそれぞれに付与される反力
は、請求項３に記載の触力覚呈示装置のように、各呈示
素子について変位検出装置を設け、その出力に基づいて
設定するのが望ましい。変位と反力との関係をあらかじ
め設定しておき、検出された変位に対応して反力を付与
することにより、弾性感、粘性感を適切に再現すること
ができる。また、硬い基材上に軟らかい層が形成されて
いるような力と変形とが非線形の対象物の力覚も適切に
再現することが可能となる。

【００２２】また、請求項４に記載の触力覚呈示装置の
ように、呈示素子の各々に接合された膜状の表皮部材を
設けることができる。このような表皮部材を設けること
により、変位量や触力覚等を連続した状態で呈示するこ
とができ、対象物の状態をより正確に再現することがで
きる。

【００２３】上記のように、各呈示素子を駆動し、反力
を付与する機構としては、請求項５に記載のように、呈
示素子のそれぞれにコイルを取り付けるとともに、この
コイルの巻き線の周辺に磁界を形成し、コイルにそれぞ
れ制御された電流を供給することによって呈示素子に駆
動力及び反力を付与するものを採用することができる。

【００２４】このような機構では、コイルに電流を供給
すると、フレミングの左手の法則に従った推力が作用
し、コイル及びこれが取り付けられた呈示素子が駆動さ
れる。そして、電流量をあらかじめ取得されている情報
に基づいて制御することにより、呈示素子には適切な駆
動力及び反力が付与される。

【００２５】また、各呈示素子の駆動及び反力の付与を
行う他の手段として、請求項７又は請求項８に記載のよ
うに、装置の流体圧を利用するものを採用することがで
きる。

【００２６】このような手段を採用したものでは、進退
が可能に支持された各呈示素子の後部に流体圧を作用さ
せ、この圧力によって呈示素子を駆動する。そして、例
えば流体として電気粘性流体を用いると、各呈示素子の
後部の適切な位置に電界を発生させることによって、こ
の電界内で流体の粘性が高くなり、流体の流れを制御す
ることができる。これにより、呈示素子の後部に作用す
る流体圧が調整され、呈示素子の駆動及び反力の付与が
行われる。したがって、各呈示素子ごとに設けられた電
極にあらかじめ取得されている情報に基づく制御電圧を
印加することによって、各呈示素子を独立して駆動する
とともに、外力の作用に対して適切な反力を付与するこ
とができる。

【００２７】さらに、各呈示素子の駆動及び反力の付与
を行う他の手段として、請求項９に記載のように、ｐＨ
値の変化によって体積が変化する高分子ゲルを用いたも
のを採用することもできる。

【００２８】これは、各呈示素子の後部に高分子ゲルを
収容したゲル室を設け、この中のゲルの膨張又は収縮に
よって呈示素子の駆動及び反力の付与を行うものであ
る。上記高分子ゲルの膨張又は収縮は、呈示素子の各々
について設けられたゲル室に細管を通じてｐＨ調整用の
水溶液を供給することによって行うことができる。この
ｐＨ調整用の水溶液は、例えばｐＨ値の異なる水溶液の
混合比を変えることによってｐＨ値を調整することがで
きる。そして、上記ｐＨ値の異なる水溶液の混合は、例
えば、電気的信号に基づいて制御される弁又はその他の
開閉装置によって各水溶液の供給量を調整することによ
って行われる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本願発明の実施の形態を図
に基づいて説明する。 < 第１の実施形態 >図１は、請求項１、請求項２、請求
項３、請求項５又は請求項６に記載の発明の一実施形態
である触力覚呈示装置を示す概略構成図である。この触
力覚呈示装置は制御装置としてコンピュータ（以下、Ｐ
Ｃという。）２を用いるものであり、このＰＣ２から出
力される信号に基づいて、呈示部１に設けられた多数の
呈示素子１１の駆動及び外力作用時の反力の付与を行う
ものである。上記呈示素子１１はそれぞれが独立して電
気的に駆動及び反力の付与が行われるようになってお
り、ＰＣ２からの制御信号に基づいて駆動電流を供給す
る駆動電源３が備えられている。

【００３０】図２は、上記呈示部１を示す概略断面図及
び平面図であり、この呈示部１は、上部が平坦となった
函体１０と、この函体の上面部に多数が設けられた開口
１０ａ内において進退可能に配置された呈示素子１１
と、この呈示素子の進退をガイドするガイド部材１２
と、前記函体内の底部に設けられた磁石１３とを有して
いる。

【００３１】前記磁石１３は、板状となっており、下面
がＮ極に、上面がＳ極となるように分極され、この磁石
１３の上部に磁性板１４が接着されている。上記ガイド
部材１２はこの磁性板１４から立ち上げられた円形断面
の柱状体であり、上記磁性板１４と同じ材料で一体に形
成されている。

【００３２】一方、上記函体１０も、磁性材料からなる
ものであり、座板１０ｂが磁石１３の下面と接着され、
側部１０ｃおよび上面板１０ｄが同じ磁性材料で連続し
た構造となっている。そして、この上面板には多数の開
口１０ａが設けられ、それぞれの開口内に上記ガイド部
材１２の頭部が位置し、空隙をおいて対向するようにな
っている。したがって、磁性材料からなる磁性板１４、
ガイド部材１２及び函体１０は、磁石１３の磁束を誘導
するヨークとして機能するようになっており、上面部の
開口１０ａの周縁部とガイド部材頭部とその間に磁界が
形成される。

【００３３】ここで、磁石１３は、保磁力と残留磁束密
度が大きい方が良く、材質として、ハードディスクの駆
動用などに使用されている希土類のネオジ磁石が適当で
あるが、他の磁石でも可能である。また、上記磁性板１
４、ガイド部材１２及び函体１０は、鉄、ニッケル、又
はこれらを主材料とする合金等によって形成されるもの
である。

【００３４】上記呈示素子１１は、円筒形側面を有する
キャップ状の部材であり、ガイド部材１２にかぶせるよ
うに配置されて、上面板１０ｄと垂直な方向に進退が可
能となっている。この呈示素子１１の側部には、図３に
示すようにコイル１５が設けられており、コイル１５の
下部からは給電のための導線１６が、コイル１５の変位
ストローク分の余裕を持たせて給電線１７に接続されて
いる。

【００３５】上記コイル１５は、銅線を通常用いるが、
自重を小さくするために、銅クラッドアルミ線を用いる
方が良い。この場合、銅単体の線に比較して４割以下に
軽量化することができる。また、この呈示素子１１の側
部の内側及び外側にはガイド部材１２又は上面板１０ｄ
との間の摺動摩擦を小さくするため、潤滑性を兼ねた絶
縁層を設けている。

【００３６】上記ガイド部材１２には呈示素子１１の下
側の停止位置を決めるための段差１８が設けられてい
る。そして、このガイド部材１２の内部には、呈示素子
１１の位置情報を検出するための変位センサ１９が配置
されている。この変位センサ１９は光学的に呈示素子１
１の上部裏の位置と変位センサ１９との距離を検出し、
呈示素子１１の位置を特定できるようになっている。な
お、上記変位センサ１９は、静電容量方式、差動トラン
ス方式、あるいはリニアエンコーダ方式などを用いるこ
とも可能である。

【００３７】上記呈示部１では、コイル１５に電流が供
給されると、函体１０の上面板１０ｄとガイド部材１２
とに間に形成されている磁界内に電流が生じることにな
り、フレミングの左手の法則によって上方又は下方への
推力が生じることになる。したがって、呈示素子１１は
上面板１０ｄに対して進退方向に駆動されることにな
る。また、呈示素子１１は駆動され変位が生じると、変
位センサ１９によって検知され、制御情報として利用さ
れる。この動作については後述する。

【００３８】上記呈示素子１１の駆動力及び呈示素子１
１に外力が作用したときの反力は、コイル１５に導通さ
れる電流の制御によって調整され、各呈示素子１１の推
力Ｆ（Ｎ）は、次のように示される。Ｆ＝Ｂ×Ｉ×Ｌ［Ｎ］ここで、Ｂ：磁束密度［Ｔ］Ｉ：コイル電流［Ａ］Ｌ：磁界中の銅線長［ｍ］である。磁束密度Ｂは、函
体１０の形態や磁石１３の種類によって変化するが、ネ
オジ磁石を用いた場合には、０．３〜０．６［Ｔ（テス
ラ）］（３０００〜６０００ガウス）程度となる。

【００３９】銅線長［ｍ］は、次式で算出できる。Ｌ＝Ｄ×π×Ｔ×ｎ［Ｎ］ここで、Ｄ：コイルの平均径Ｔ：磁束中のコイル高さｎ：コイルの巻き数である。

【００４０】上式により計算される推力は、図５に示す
とおりとなる。ここで、磁束密度Ｂ＝０．５［Ｔ］コイル径Ｄ＝２．０［ｍｍ］コイル高さＨ＝１５［ｍｍ］コイル巻き数ｎ＝３回としている。なお、呈示素子１
１の重力は、推力とは反対方向に作用するとして差し引
いている。

【００４１】図５に示されるように、一つの呈示素子当
りの推力として数グラム重程度の力は得ることができ、
図１又は図２に示すように多くの呈示素子１１を集積し
て設けると、人が触力覚を得ようとするときに、数十か
ら数百程度の呈示素子に同時に接触することになり、推
力の合計は数１００ｇｆとなる。これは呈示装置として
充分な値と考えることができる。

【００４２】次に、上記呈示部１の動作を制御するため
の構成及び方法について説明する。図４は、図１に示す
触力覚呈示装置の概略の構成を示すブロック図である。
制御装置として機能するように設定されたＰＣ２は、記
憶装置２１に呈示対象物の触力覚情報が記憶されてお
り、ＣＰＵ２２は、ソフトウェアによって制御信号発生
部２３、反力演算部２４、面全体調整部２５として機能
するように設定されている。

【００４３】上記制御信号発生部２３は、記憶装置２１
に記憶されている情報に基づいて、呈示素子１１の進退
方向の位置に対応する制御信号又は呈示素子１１に付与
する反力の強さに対応した制御信号を出力するものであ
る。上記反力演算部２４は、人が呈示素子１１に触れて
変位が生じたときに、この呈示素子１１に付与する反力
を演算するものであり、記憶装置２１に記憶されている
反力についての情報および変位センサ１９で検知された
変位に基づいて反力を演算する。上記面全体調整部２５
は、各呈示素子１１が有する性能のバラツキや感度の違
いを補正する補正係数を記憶しており、これにより、各
呈示素子１１の動作を調整するものである。

【００４４】また、上記ＰＣ２は呈示対象物を視覚的に
把握することができるように、該呈示対象物の外観等を
表示する視覚表示装置２６を備えている。この視覚表示
装置２６は、例えばＣＲＴディスプレイや液晶ディスプ
レイを用いることができる。

【００４５】ＰＣ２から出力された制御信号は、駆動電
源２７に入力される。この駆動電源２７は制御信号変換
装置として機能するものであり、制御信号に基づき制御
電流発生部２８により、呈示素子１１の各々に独立して
供給する制御電流を発生する。この制御電流はフィルタ
回路２９を経るとともに、電流増幅器３０によって増幅
され、各呈示素子１１に導かれる。この電流により各呈
示素子１１が適切に変位するとともに、反力が付与され
る。

【００４６】各呈示素子１１の変位は、変位センサ１９
によって検知され、この出力はＰＣ２に入力される。Ｐ
Ｃ２では、この情報に基づいて、各呈示素子１１の進退
方向の位置を照査し、必要に応じて補正を加えることが
できる。また、反力演算部２４では、上記変位センサ１
９の出力によって、人が触れたときの変位に対応した反
力を演算し、この反力に応じた制御信号を出力するよう
になっている。そして、この変位と反力との対応関係を
適切に選択することによって様々な力覚を呈示すること
が可能となる。つまり、弾性的な硬軟感を調整する場合
は、位置偏差分に対する制御ゲインを増減することで、
硬い材料や軟らかい材料を再現することができる。ま
た、ねっとりとした粘性感を再現する場合は、例えば、
位置情報の微分項に対してのゲインを高めることで粘性
感を得ることができる。慣性感に対しても同様に制御則
を適切に定めることにより、再現することが可能とな
る。

【００４７】上記のような構成により、記憶装置２１に
記憶されている情報に基づいて、視覚表示装置２６に視
覚的な情報が表示されるとともに、呈示部１の各呈示素
子１１が駆動され、触力覚が呈示される。したがって、
視覚表示装置２６から視覚を通じて得られる情報と呈示
部１の呈示素子群に触れることによって得られる触力覚
情報によって対象物を把握することが可能となり、対象
物を正確に理解することができる。また、上記記憶装置
２１に記憶されている情報が時系列のデータとなってい
る場合には、呈示される形状を時間とともに変化させる
こともでき、形状の変化を呈示することも可能となる。
さらに、人が触れることによって呈示素子１１が変位し
た場合には、直ちに変位センサ１９によって検知され、
変位量に対応した反力が付与されるので弾性感・粘性感
・慣性感等も的確に呈示される。

【００４８】次に、記録装置２１に記憶される呈示対象
物に関する情報の作成又は取得について説明する。対象
物３１から触力覚情報を生成する方法に関してはさまざ
まな方法があるが、例えば図４に示すように幾何学的な
情報は位置センサー３２で求める。これは、例えば、レ
ーザー変位計や、ＣＣＤカメラの応用が考えられる。ま
た、対象物３１の硬軟感に関する情報をバネばかりや歪
みゲージを用いた荷重センサーなどの力変位センサー３
３（押し込み量とそのときの反力が得られる方法であれ
ば可）、もしくは圧縮試験機などの材料特性試験機によ
って把握する。これは必ずしも実測しなくとも、既知で
あればその数値を入力してもよい。

【００４９】これらのセンサによって取得されたデータ
をＰＣ２に入力するために、ＡＤ変換装置３４でデジタ
ル信号に変換し、これらの信号を各呈示素子１１に対応
したマトリックスのテーブルとしてＰＣ２の記憶装置２
１に保管する。触力覚情報は、上記のように対象物から
直接に取得するだけではなく、通信装置３５、信号入力
装置３６等の他の手段によって入手することも考えられ
る。例えば、インターネット上に公開されているホーム
ページ上のカタログデータに写真や図形情報と共に階層
構造のデータとして含まれるものを取得することが考え
られる。また、電子メールによって情報の提供者から取
得することもできる。さらに、ＣＤ−ＲＯＭなどのメデ
ィア形態で提供される電子情報、データベース、ソフト
ウェアから取得することも考えられる。

【００５０】以上に説明した触力覚呈示装置は、独立し
て駆動される多数の呈示素子が基部に対して進退するこ
とによって触力覚を呈示するものであるが、図６に示す
ようにこれらの呈示素子５１を連続した表面層５５によ
って被覆し、各呈示素子５１の先端を該表面層に接着す
ることもできる。このような表面層５５を設けることに
よって、視認性の向上や触感を滑らかなものとすること
ができる。なお、この触力覚呈示装置は請求項４に記載
の発明の一実施形態である。

【００５１】< 第２の実施形態 >図７は、請求項１、請
求項２、請求項３、請求項７又は請求項８に記載の発明
の一実施形態である触力覚呈示装置を示す概略構成図で
ある。この装置は、縦横に配列された呈示素子７１を備
えた呈示部６１と、すべての呈示素子７１の背後にほぼ
均等な流体圧が作用するように電気粘性流体を圧送し循
環させる流体還流装置６３と、上記呈示素子７１のそれ
ぞれの駆動を制御するＰＣ６２と、ＰＣから供給される
制御信号に基づいて各呈示素子７１の駆動を制御する電
圧を印加する電源装置６４とを備えている。

【００５２】上記流体還流装置６３によって圧送される
電気粘性流体は、電界が作用しない場合には低粘性の流
体であり、高い流動性を有するが、電界中では高粘性と
なるものである。この電気粘性流体は、図９に示すよう
に流体中に誘電体の微粒子８２を分散させたものであ
り、電界中では流体中に分散している微粒子が誘導分極
して鎖状に連結する。このため、電界内で流れが滞るこ
とになり、流体の粘性が高くなったように挙動するもの
である。

【００５３】上記呈示部６１は、上面が平坦な函体７０
を有し、その函体は仕切り板７２によって上室７３と下
室７４とに別けられている。呈示素子７１はキャップ状
となっており、上板から内側に突出した筒状体７５に、
進退可能となるように蛇腹部材７６を介して取り付けら
れている。そして、上記函体７０の下室７４から電気粘
性流体が呈示素子７１の内側に流入し、その流体圧によ
って呈示素子の突出量および呈示素子に外力が作用した
ときの反力が付与されるようになっている。この呈示素
子７１が設けられた位置の周囲には、図８（ａ）および
図８（ｂ）に示すように環状の間隙７７が設けられ、下
室７４と上室７３とが連通しており、上記流体還流装置
６３によって圧送される電気粘性流体は函体７０の下室
７４に供給され、上記間隙７７を通過して上室７３へ流
れる。そして、導管７８を通じて流体還流装置６３へ戻
される。呈示素子７１を支持する筒状体７５と、仕切り
板７２とには、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すよう
に、上記環状の間隙７７を介して対向するように電極７
９、８０が設けられており、これらの電極間に電源装置
６４から駆動制御電圧が印加されるようになっている。

【００５４】また、函体７０の底板からは、変位センサ
８１が立ち上げられ、各呈示素子７１の内側に突き入れ
られている。この変位センサ８１は渦電流式計測法を用
いたものであり、呈示素子７１の変位に対応した電圧が
出力として信号コードを介して取り出される。この変位
センサ８１による測定対象は導電性であることが要件と
なる。このためキャップ状の呈示素子７１を金属製とす
るか、又は呈示素子の内側に金属層を設けたものとす
る。このような変位センサ８１において変位と出力電圧
との関係は必ずしも線形関係とはならないが、呈示素子
７１の複数の位置間での出力電圧の感度傾向をあらかじ
め把握しておくことによって、変位量を電気信号として
正確に検出することができる。

【００５５】一方、上記ＰＣ６２は図１から図４に示す
実施形態で用いられるものと同様の構成を有するもので
あり、記憶されている触力覚情報に基づき各呈示素子７
１についての制御信号を出力するものである。また、電
源装置６４はＰＣ６２からの制御信号に基づいて各呈示
素子７１の駆動及び反力を付与するための電圧印加を行
うものであり、各呈示素子７１を支持する筒状体７５に
設けられた電極８０とこれと対向するように仕切り板７
２に固定された電極７９との間に、制御信号に対応した
電圧を印加するようになっている。

【００５６】このような触力覚呈示装置では、流体還流
装置６３によって電気粘性流体が函体７０の下室７４に
供給され、図９（ａ）に示すように、各呈示素子７１の
周囲に設けられた環状の間隙７７から上室７３に移動
し、流体還流装置６３に戻るように循環している。そし
て、各呈示素子７１の後部に所定の流体圧が作用してい
る。呈示素子７１の駆動又は反力の付与が行われてると
きには、二つの電極７９、８０間に制御信号に基づく電
圧が印加され、電界が生じて電気粘性流体内の誘電体微
粒子８２が、図９（ｂ）に示すように該電界内で連鎖を
形成する。

【００５７】このため、電圧が印加された電極間の間隙
７７において流体の粘性が上昇したように挙動し、円滑
な流れが妨げられる。これにともない、環状となった該
電極付近において下室７４内の流体圧が上昇し、キャッ
プ状の呈示素子７１内に流体が流入し、呈示素子を駆動
する。また、外力が生じ変位が生じたときも上記流体圧
によって反力が付与される。この流体圧は電極７９、８
０間に印加される電圧の大きさによって流体の流れ易さ
が調整され、電圧が大きい程流体は流れにくく、呈示素
子７１に作用する流体圧が大きくなる。したがって、Ｐ
Ｃ６２から電源装置６４を介して各呈示素子周囲の二つ
の電極７９、８０間に印加される電圧を調整することに
より、各呈示素子７１の駆動又は反力の付与が行われ
る。

【００５８】次に、上記触力覚呈示装置において、駆動
条件を変えたときの呈示素子の突出高さを調べる実験に
ついて説明する。図１０は、複数の呈示素子の一つにつ
いて、電気粘性流体の流速及び印加電圧を変えてその高
さ位置を変位計で計測し、呈示素子の高さと駆動時間と
の関係を示したものである。まず、電圧を印加した場合
と印加しない場合について比較する。電圧を印加しない
場合は呈示素子は動かないが、電圧を印加すると呈示素
子の後部に作用する流体圧が高くなり、呈示素子が時間
とともに上昇する。また、流体還流装置の流速を大きく
すると、呈示素子の移動速度も増加する。

【００５９】次に、呈示素子が呈示する推力について
も、変位計を設置した呈示素子とは別の呈示素子の一つ
にロードセルを対向させ、上昇してくる呈示素子の押圧
力、すなわち推力を計測した。その結果、推力として最
大１００ｇｆ近い値を呈示することが確認された。した
がって、掌全体で接触できる呈示素子の数を仮に１０個
としても、推力の合計として１ｋｇを達成でき、触力覚
呈示装置としては十分な値となる。また、このときの呈
示素子のバネ定数は、推力と変位との関係から７〜８ｇ
ｆ／ｍｍであり、呈示素子の高さの変化に対してほぼ一
定で、線形の関係といえる。

【００６０】また、上記実験では呈示素子の寸法として
Φ１０ｍｍ径のものを用いている。したがって、呈示素
子を小型化していくと、推力も小さくなると考えられる
が、逆に、手に触れる呈示素子の個数が増加するため、
全体としては、ほぼ一定の推力を獲得することができ
る。

【００６１】< 第３の実施形態 >図１１は、請求項１、
請求項２、請求項３又は請求項９に記載の発明の一実施
形態である触力覚呈示装置を示す概略構成図である。こ
の触力覚呈示装置は、触力覚呈示部９１の函体１００の
内部が縦横に多数の小室１０２に分割されており、それ
ぞれの小室について呈示素子１０１が上面板１００ａか
ら進退が可能となるように取り付けられている。各呈示
素子１０１はキャップ状となっており、その内側および
後方部に高分子ゲル１０３が充填され、各小室１０２内
の空間とは、水溶液は浸透するが、上記高分子ゲルは通
過しない隔壁１０４によって仕切られ、高分子ゲルがこ
の内側に保持されている。上記高分子ゲル１０３は、ポ
リアクリル酸系で、ｐＨ値の変化によって体積が変わる
ものである。

【００６２】一方、上記函体１００の各小室１０２に
は、細管１０５を通じてｐＨ濃度が調整された水溶液が
供給されるようになっている。この水溶液の供給は、圧
送装置１０６から二本の供給管１０７によってｐＨ値の
異なる水溶液を供給できるようになっており、各小室１
０２へは、これらの供給管１０７からの水溶液を調整弁
１０８によって混合率を調整して供給するようになって
いる。そして、上記調整弁１０８は、図１〜図４に示す
実施形態で用いられるＰＣと同様の機能を有するものに
よって出力される制御信号に基づいて駆動電源１０９が
制御され、各呈示素子毎に小室１０２にｐＨ濃度が調整
された水溶液を供給するものとなっている。また、各呈
示素子１０１には、変位センサ（図示しない）が設けら
れており、キャップ状の呈示素子の進退方向の変位を検
知し、制御信号を出力する装置（図示しない）にフィー
ドバックするようになっている。上記変位センサは、図
７に示す実施形態で用いられている渦電流式のものでも
よいし、高分子ゲルが透明であるので、図１〜図４に示
す実施形態で用いられている光学的な変位センサを用い
ることもできる。

【００６３】上記のような触力覚呈示装置では、記憶さ
れている触力覚情報に基づいて、上記調整弁１０８が制
御されることによって、函体１００の各小室１０２に供
給される水溶液のｐＨ濃度が調整される。そして、この
水溶液のｐＨ濃度に対応して高分子ゲルの体積が変化
し、呈示素子１０１を駆動、又は反力を付与することに
なる。

【００６４】

【発明の効果】以上説明したように、本願発明に係る触
力覚呈示装置では、複数の呈示素子が所定の平面又は曲
面に対して進退方向に駆動されるので、それぞれの呈示
素子の突出量を制御することによって形状に関する感覚
を再現することができる。さらに、各呈示素子に外力が
作用したときに反力を制御することができるので、硬軟
感、弾力感等の力覚を再現することができる。これら複
数の呈示素子はある程度の呈示面積を有しているため、
対象物を掌で触知した感覚と同等の効果があり、表現力
の高い触力覚を呈示することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態である触力覚呈示装置
を示す概略構成図である。

【図２】上記触力覚呈示装置で用いられる呈示部を示す
概略構成図である。

【図３】上記呈示部を示す部分拡大図である。

【図４】上記触力覚呈示装置を制御するための構成を示
すブロック図である。

【図５】上記触力覚呈示装置で用いられる呈示素子の推
力を示すグラフである。

【図６】本発明の第２の実施形態である触力覚呈示装置
で用いられる呈示部を示す概略構成図である。

【図７】本発明の第３の実施形態である触力覚呈示装置
を示す概略構成図である。

【図８】図７に示す触力覚呈示装置で用いられる呈示部
を示す部分拡大図である。

【図９】図７に示す触力覚呈示装置の動作を示す説明図
である。

【図１０】図７に示す触力覚呈示装置で用いられる呈示
素子の駆動条件を変化させたときの突出高さを示すグラ
フである。

【図１１】本発明の第４の実施形態である触力覚呈示装
置を示す概略構成図である。

【符号の説明】

１呈示部２コンピュー
タ（ＰＣ）３駆動電源１０函体１１呈示素子１２ガイド部
材１３磁石１４磁性板１５コイル１６導線１７給電線１８段差１９変位センサ２１記憶装置２２ＣＰＵ２３制御信号
発生部２４反力演算部２５面全体調
整部２６視覚表示装置２７駆動電源２８制御電流発生部２９フィルタ
回路３１対象物３２位置セン
ター３３変位センサー３４ＡＤ変換
装置４１呈示部５０函体５１呈示素子５２ガイド部
材５３磁石５４磁性板５５表面層６１呈示部６２ＰＣ６３流体還流
装置７０函体７１呈示素子７２仕切り板７３上室７４下室７５筒状体７６蛇腹部材７７間隙７８導管７９、８０電
極８１変位センサ８２誘電体微
粒子９１呈示部１００函体１０１呈示素子１０２小室１０３高分子ゲル１０４隔壁１０５細管１０６圧送装
置１０７供給管１０８調整弁１０９駆動電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の平面又は曲面に沿った位置に配
列され、該平面又は曲面に対して進退が可能に支持され
た複数の呈示素子と、前記呈示素子を支持する基部と、前記呈示素子のそれぞれを独立して進退方向に駆動する
とともに、該呈示素子に外力が作用するときには反力を
付与する駆動装置を有することを特徴とする触力覚呈示
装置。
【請求項２】請求項１に記載の触力覚呈示装置にお
いて、前記駆動装置は、前記呈示素子を進退方向の３点以上の
任意位置に設定し、保持するものであることを特徴とす
る触力覚呈示装置。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載の触力覚
呈示装置において、前記呈示素子が、外力によって前記設定位置から変位し
た量を測定する変位検出装置を有し、前記駆動装置は、前記変位検出装置によって検出された
変位量に応じて前記呈示素子のそれぞれに反力を付与す
るものであることを特徴とする触力覚呈示装置。
【請求項４】前記呈示素子の進退方向における先端
部に、複数の呈示素子にわたって連続して接合された膜
状の表皮部材を有することを特徴とする請求項１、請求
項２又は請求項３に記載の触力覚呈示装置。
【請求項５】前記駆動装置は、前記呈示素子のそれ
ぞれに取り付けられ、駆動電流が供給されるコイルと、前記基部に支持され、前記コイルの巻き線の周辺に磁界
を形成する磁石とを有し、前記コイルに、呈示素子ごとに独立して制御される駆動
電流を供給することを特徴とする請求項１から請求項４
までのいずれかに記載の触力覚呈示装置。
【請求項６】前記呈示素子は、筒状体を有し、前記コイルは、該筒状体の周面に沿って巻き回され、前記基部は、前記筒状体の内側に挿入され、該筒状体の
軸線方向の移動を案内するガイド部材と、該筒状体の外
周面と近接した対向部材とを有し、前記磁石は、前記対向部材と前記ガイド部材との間に磁
界を形成するものであることを特徴とする請求項５に記
載の触力覚呈示装置。
【請求項７】前記呈示素子は、先端が閉塞され、後
端が開放された筒状体を有し、前記駆動装置は、前記呈示素子のそれぞれの後端部に流
体圧を作用させるものであることを特徴とする請求項１
から請求項４までのいずれかに記載の触力覚呈示装置。
【請求項８】前記駆動装置は、電界中において粘性
が増加する電気粘性流体を、前記呈示素子の後部で流動
させる流体還流手段と、それぞれの前記呈示素子について、その後端付近に電界
を生じさせ、前記呈示素子の後部に作用する流体圧を制
御する電極と、この電極に、前記呈示素子ごとに制御された電圧を印加
する電源装置とを有することを特徴とする請求項７に記
載の触力覚呈示装置。
【請求項９】前記駆動装置は、前記呈示素子のそれ
ぞれの後部に設けられ、ＰＨ値の変化によって体積が膨
張又は収縮する高分子ゲルを収容するゲル室と、このゲル室にＰＨ調整用の水溶液を供給する細管と、この細管を通じてそれぞれの呈示素子のゲル室に供給す
るＰＨ調整用の水溶液の濃度又は量を制御するＰＨ制御
装置とを含み、前記呈示素子のそれぞれは、前記高分子ゲルの膨張又は
収縮によって進退方向に駆動されるものであることを特
徴とする請求項１に記載の触力覚呈示装置。