JP2010015551A - 触覚情報提示装置及び触覚情報提示システム - Google Patents

Abstract

【課題】触覚情報として、機械的な比較的「硬い」感触だけでなく、生物感等の「やわらかな」感触をユーザに与えることのできる触覚情報提示装置を提供する。
【解決手段】人間の体の一部に空気振動圧を与えて前記触覚情報を提示するスピーカ１と、スピーカ１を駆動する駆動信号の信号波形を調整する制御部とを備える触覚情報提示装置１０を提供する。触覚情報を提示する手段として、スピーカを用いているので、様々な振動周波数を有する空気振動圧を人間の体の一部に与えることができ、様々な感触をユーザに与えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、触覚情報提示装置及び触覚情報提示システムに関し、より詳細には、人間の体の一部に接触させて触覚情報を提示する触覚情報提示装置及び触覚情報提示システムに関する。

従来、様々な分野で、人間の視覚や聴覚に情報（音楽や映像等）を提示する装置が開発されてきたが、近年、視覚や聴覚だけでなく触覚を含めた感覚に情報を提示する装置への関心が高まっている。そこで、これまで、人間の触覚を含めた感覚に情報を提示する様々な装置が提案されている（例えば、特許文献１及び２並びに非特許文献１参照）。

特許文献１には、ベッドマット上の赤ちゃんに、効率よく、音楽を聴かせて赤ちゃんの気持ちを穏やかにさせるための乳児用音響装置が提案されている。特許文献１の乳児用音響装置は、ユニット内にコアを宙吊りにしコイルを固定した音響振動器と、それに接続され、胎動音などの音楽信号を発生させる再生器とを備える。この装置では、音響振動器をベッドマット上に置き、再生器から音響振動器に音楽を流し、そして、音響振動器の振動によりベッドマットを振動させる。これにより、胎動音などの振動を赤ちゃんに伝えている。

特許文献２には、ドライブゲーム装置等に用いてより臨場感に富んだ感覚を実現する体感装置（体感服）が提案されている。特許文献２の体感服では、体感服を複数のブロックに分け、各ブロック内にスピーカを配置した構成となっている。この体感服では、ブロック毎に独立に出し入れされる空気の圧力を表示画像等に対応して制御することによりユーザの所定部位が圧迫される構造になっている。なお、スピーカの駆動周波数は音声信号に対応して制御される。

また、非特許文献１で提案されている触覚情報提示装置は、その内部にソレノイドモータやリニアモータ備えている。この触覚情報提示装置では、ユーザが装置を握った際に、ソレノイドモータやリニアモータを駆動させることにより装置内に何かがあるような感触をユーザに与える。また、非特許文献２では、生物的な鼓動のような感触を出すような装置が提案されている。

また、従来、視覚障害者用の触覚情報提示装置として、点字ピンを上下に駆動してユーザに点字データを提示する装置も提案されている。

さらに、従来、映像情報及び／または音声情報を含むコンテンツを再生する再生手段と、コンテンツに同期した振動情報に基づいて被振動体に体感用の振動を与える振動発生手段とを備える振動体感再生装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。特許文献３で提案されている振動体感再生装置では、コンテンツをスロー再生した際にも、そのスロー再生に同期した振動情報で被振動体に振動を与える技術が記載されている。

特開平０９−１９１９８４号公報 特開平０７−８４５１５号公報 特開２００７−３２４８２９号公報

Y. Sekiguchi, K. Hirota, M. Hirose：The Design and Implementation of Ubiquitous Haptic Device, Proc. World HapticsConference2005, 2005, 257-258 中田亨：ペット動物の対人心理用のロボットにおける構築，東京大学大学院光学系研究科博士課程先端学際光学専攻博士論文，２００１

従来提案されている様々な触覚情報提示装置（以下では、触覚ディスプレイともいう）を時間的解像度及び空間的解像度という観点で分類すると、図１８のようになる。図１８のグラフでは、縦軸に時間的解像度をとり、横軸に空間的解像度をとった。なお、ここでいう時間的解像度とは、触覚ディスプレイで提示できる触覚情報の周波数のダイナミックレンジ（情報の再生能力）に対応するものであり、空間的解像度とは、一つの触覚情報を提示するために必要な物理的な領域（触覚情報の提示領域）の大きさである。すなわち、触覚ディスプレイで提示できる触覚情報の周波数のダイナミックレンジが広いほど、時間的解像度が高くなり、一つの触覚情報を提示するために必要な物理的な領域が小さいほど、空間的解像度は高くなる。

視覚障害者用の触覚ディスプレイのような装置では、点字ピン等により一つの触覚情報を表すので、触覚情報の提示領域は小さくなり、空間的解像度は高くなる。また、このような装置では、ユーザに数種類程度の触覚情報しか与えないので、時間的解像度は小さくなる。それゆえ、このような触覚ディスプレイは図１８中の領域１１１で示されるような領域の装置（従来の触覚ディスプレイ）に分類される。

一方、特許文献２で提案されているような体感装置では、ブロック毎に触覚情報を提示するので、その提示領域は広くなり、空間的解像度は低くなる。また、このような装置では、ユーザに数種類程度の触覚情報しか与えないので、時間的解像度は小さくなる。それゆえ、特許文献２で提案されているような装置は図１８中の領域１１２で示されるような領域の装置（従来の着用触覚ディスプレイ）に分類される。なお、特許文献１や非特許文献１及び２で提案されているような触覚ディスプレイも、図１８中の領域１１２で示される領域の装置に分類される。

上述した従来の触覚ディスプレイでは、ユーザに数種類程度の触覚情報しか与えないので、ユーザに知覚されるのはその触覚情報に対応した所定の情報のみだけであり、その触感も機械的であり、比較的「硬い」触感となる。それゆえ、従来の触覚ディスプレイでは、与えられた触覚情報から、ユーザに何かを想像させたり、親しみを感じさせたりするような触感を与えることができないという問題があった。例えば、生物の柔らかさ、押されたら押し返すなど力覚的な抵抗感、心臓の鼓動、筋肉の振動等の物体が生きているように感じる感覚（いわゆる生物感と呼ばれる感覚）などの情動的な「やわらかな」感触を、従来の触覚ディスプレイでは、ユーザに与えることは困難である。

また、非特許文献２で提案されている装置では、生物的な鼓動のような感触を出すことは可能であるが、この装置は大掛かりな装置であり、周波数も低域のみに対応可能になっている。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、触覚情報として、上述した機械的な比較的「硬い」感触だけでなく、生物感等の「やわらかな」感触をユーザに与えることのできる簡易な触覚情報提示装置及び触覚情報提示システムを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の触覚情報提示装置は、人間の体の一部に空気振動圧を与えて触覚情報を提示するスピーカと、スピーカを駆動する駆動信号の信号波形を調整する制御部とを備える構成とした。

本発明の触覚情報提示装置では、触覚情報を提示する手段として、スピーカを用いる。スピーカは低周波数から高周波数までの広い周波数範囲で駆動させることができるので、そのスピーカにより発生させる空気振動の振動周波数の範囲も広くすることができる。それゆえ、本発明では、様々な振動周波数を有する空気振動圧を人間の体の一部に与えることができ、様々な触感をユーザに与えることができる。

なお、本発明の触覚情報提示装置は、上述のように、人間の体の一部に与えられる空気振動圧の振動周波数を広い範囲で変化させることができるので、触覚情報のダイナミックレンジ（時間的解像度）を広くすることができる。また、本発明は、一つの触覚情報の提示領域は点字ピン等に比べて広いので空間的解像度は低くなる。それゆえ、本発明の触覚情報提示装置は、図１８中の領域１１３で示されるような領域の装置に分類される。

また、本発明の触覚情報提示装置では、さらに、前記触覚情報提示装置に外力が与えられたことを検知するセンサを備え、制御部が、センサの検知結果に基づいて、駆動信号の周波数、振幅及び位相の少なくとも一つを調整してもよい。

この場合、例えばユーザ等により触覚情報提示装置に外力が与えられると、その動作に応じてスピーカの駆動信号の周波数、振幅及び位相の少なくとも一つが変化し、リアルタイムで人間の体の一部に与える触感を変化させることができる。

また、本発明の触覚情報提示システムは、人間の体の一部に空気振動圧を与えて触覚情報を提示するスピーカ、及び、触覚情報の再生速度を変化させる再生速度調整部を含み且つスピーカを駆動する駆動信号の信号波形を調整する制御部を有する触覚情報提示装置と、触覚情報に対応する映像情報を触覚情報と同期させて表示する映像表示装置とを備える構成とした。

上述のように、本発明の触覚情報提示装置及び触覚情報提示システムでは、触覚情報を提示する手段としてスピーカを用いるので、様々な振動周波数を有する空気振動圧を人間の体の一部に与えることができ、多様な触感をユーザに与えることができる。それゆえ、本発明によれば、スピーカの駆動信号の周波数（信号波形）を制御部により適宜調整することにより、触覚情報として、機械的な「硬い」感触だけでなく、生物感等の「やわらかな」感触をユーザに与えることができる。また、本発明では、触覚情報を提示する手段としてスピーカを用いているので、装置の構成をより簡易にすることができる。

また、本発明において、外力が与えられたことを検知するセンサを備え、そのセンサの検知結果に基づいて、制御部が、スピーカの駆動信号の周波数、振幅及び位相の少なくとも一つを調整した場合、「やわらかな」物質感をより強調してユーザに与えることができる。

図１（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態の触覚ディスプレイの概略構成図であり、図１（ａ）は斜視図であり、図１（ｂ）は側面図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）中のＡ−Ａ断面図である。 図２は、第１の実施形態の触覚ディスプレイのブロック構成図である。 図３は、第１の実施形態の触覚ディスプレイの動作を説明するための図である。 図４は、第１の実施形態の触覚ディスプレイの動作を説明するための図である。 図５は、第１の実施形態における試験１の結果を示した図である。 図６は、第１の実施形態における試験３の結果を示した図である。 図７（ａ）〜（ｃ）は、第２の実施形態の触覚ディスプレイの概略構成図であり、図７（ａ）は斜視図であり、図７（ｂ）は側面図であり、図７（ｃ）は図７（ｂ）中のＢ−Ｂ断面図である。 図８は、第３の実施形態の触覚ディスプレイを含む情報端末装置の概略構成図である。 図９は、第３の実施形態の情報端末装置の概略ブロック及び情報端末装置が同様の構成の他の情報端末装置と無線通信する様子を示した図である。 図１０は、第３の実施形態の情報端末装置が提示波形パラメータを送信する際の動作手順を示したフローチャートである。 図１１は、第３の実施形態の情報端末装置が提示波形パラメータを受信する際の動作手順を示したフローチャートである。 図１２は、第４の実施形態の情報端末装置の概略ブロック図である。 図１３は、第４の実施形態の情報端末装置の動作手順を示したフローチャートである。 図１４は、変形例１における触覚ディスプレイを用いたコミュニケーションシステムの構成図である。 図１５は、第５の実施形態の触覚情報提示システムの概略ブロック図である。 図１６は、第５の実施形態における評価試験で用いた触覚情報の記録装置の概略構成図である。 図１７は、変形例２の触覚情報提示システムの概略ブロック図である。 図１８は、本発明の触覚ディスプレイと、従来の触覚ディスプレイとの差異を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態を、添付図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態は以下の順で説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではない。
１．第１の実施形態［基本構成例］
２．第２の実施形態［弾性シートを備えた構成例］
３．第３の実施形態［触覚ディスプレイを他の情報端末と組み合わせた構成例］
４．第４の実施形態［触覚ディスプレイを他の情報端末と組み合わせた構成例］
５．第５の実施形態［時間伸縮機能を有する触覚ディスプレイ及び触覚情報提示システムの構成例］

＜１．第１の実施形態＞
［装置構成］
第１の実施形態の触覚ディスプレイ（触覚情報提示装置）の構成例を、図１及び２を用いて説明する。なお、本実施形態では、ユーザの手のひらに空気振動圧を与えて触覚情報を提示する触覚ディスプレイの例を説明する。

図１（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の触覚ディスプレイの概略構成図である。図１（ａ）は、触覚ディスプレイの斜視図であり、図１（ｂ）は、触覚ディスプレイの側面図であり、図１（ｃ）は、図１（ｂ）中のＡ−Ａ断面図である。

本実施形態の触覚ディスプレイ１０は、２つのスピーカ１及び２と、圧力センサ３と、加速度センサ４と、図１には示していない触覚ディスプレイ１０の動作を制御する制御部と、これらの構成部材を覆う筐体５とを備える。上述のように、本実施形態の触覚ディスプレイ１０は、構成が簡素であるので低コストで製造することができる。なお、図１には示していないが、本実施形態の触覚ディスプレイ１０の駆動電源は装置の外部にあり、その駆動電源と触覚ディスプレイ１０とは電気コードにより接続されている。ただし、本発明はこれに限定されず、触覚ディスプレイ１０が駆動電源を備えていてもよい。また、本実施形態では、制御部を装置内部に備える例を説明したが、制御部を装置外部に設けてもよい。この場合、駆動電源は装置外部及び内部のいずれに設けてもよい。

本実施形態の触覚ディスプレイ１０は、図１（ａ）に示すように、肉厚の略円盤形状を有しており、筐体５の両側面部（平面部）７には、それぞれスピーカ１及び２の振動面を露出するための円形開口部８が形成されている。なお、筐体５はＡＢＳ（AcrylonitrileButadiene Styrene）樹脂で形成されている。

本実施形態では、図１（ｃ）に示すように、２つのスピーカ１及び２はその振動面１ｓ及び２ｓが互いに反対方向に向くように配置されている。そして、２つのスピーカ１及び２は、その振動面１ｓ及び２ｓが筐体５の円形開口部８に露出するように、筐体５の両側面部７にそれぞれ取り付けられている。

スピーカ１には、ボイスコイル型のフルレンジスピーカを用いる。スピーカ１は、主に、振動面１ｓを有するコーン部１１と、コーン部１１の振動面１ｓとは反対側に設けられた磁石部１２と、振動面１ｓを振動させるためのボイスコイル（不図示）とから構成される。また、スピーカ２は、スピーカ１と同じ構成である。それゆえ、ここではスピーカ２の説明は省略する。なお、スピーカ１及び２としては、例えばプッシュプル型の静電スピーカなど、振動面の振幅をある程度大きくすることができる方式のスピーカであれば任意の方式のスピーカを用いることができる。

圧力センサ３には、抵抗素子型のセンサを用いる。圧力センサ３では、圧力が印加された際にセンサ内の抵抗値の変化を検出する。本実施形態では、ユーザが触覚ディスプレイ１０を使用する際に、後述するように、筐体５の両側面に形成された円形開口部８を両方の手のひらで塞ぐようにして、触覚ディスプレイ１０を挟持する。それゆえ、ユーザが触覚ディスプレイ１０を挟持した際に、その圧力を検出できるようにするために、図１（ｂ）に示すように、圧力センサ３を円形開口部８の近傍の筐体５内部に取り付けた。なお、本発明はこれに限定されず、外部（ユーザ等）から加えられた力（外力）を検知できる位置であれば、任意の位置に圧力センサ３を設置することができる。例えば、圧力センサ３を２つのスピーカ１及び２の間に設置してもよい。この場合、圧力センサ３に均一な力を与えるため、及び、圧力センサ３の測定範囲を越えないように力を分散させるために、スピーカ１及び２と圧力センサ３との間にはシリコーンフィルムなどのクッション材を設けることが好ましい。また、圧力センサ３としては、抵抗素子型以外にも、触覚ディスプレイ１０に搭載できる圧力センサであれば、任意の圧力センサを用い得る。

また、加速度センサ４には、容量性の３軸加速度センサを用いる。このセンサでは加わった外力に応じてセンサのキャパシタンスの変化を検出する。加速度センサ４は、図１（ｃ）に示すように、２つのスピーカ１及び２の間（触覚ディスプレイ１０のほぼ中央）に設置した。なお、本発明はこれに限定されず、触覚ディスプレイ１０の加速度が検知できる位置であれば、任意の位置に加速度センサ４を設置することができる。また、加速度センサ４としては、容量性の３軸加速度センサ以外にも、触覚ディスプレイ１０に搭載できる加速度センサであれば、任意の加速度センサを用い得る。

図２は、本実施形態の触覚ディスプレイ１０のブロック構成図である。本実施形態の触覚ディスプレイ１０は、図２に示すように、手持ち部１５と、手持ち部１５の動作を制御する制御部１６とから構成される。

手持ち部１５は、手のひらに空気振動圧を与えるスピーカ１及び２、触覚ディスプレイ１０に与えられる圧力を検出する圧力センサ３、並びに、触覚ディスプレイ１０に与えられる加速度を検出する加速度センサ４から構成される。

制御部１６は、圧力センサ３及び加速度センサ４に接続されたマイクロコンピュータ１７（マイクロプロセッサ）と、マイクロコンピュータ１７並びに２つのスピーカ１及び２に接続されたアンプ回路１８とから構成される。なお、圧力センサ３及び加速度センサ４から検出される情報（アナログ信号）は、マイクロコンピュータ１７によりモニタされる。

マイクロコンピュータ１７は、圧力センサ３及び加速度センサ４でそれぞれ検出した圧力及び加速度のアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換機能を備える。また、マイクロコンピュータ１７は、その変換されたデジタル信号を所定の正弦波信号（アナログ信号）に変換するデジタル／アナログ変換機能を備える。すなわち、マイクロコンピュータ１７は、圧力センサ３及び加速度センサ４で検出した外力の情報を、それに対応した正弦波信号に変換してスピーカ１及び２に出力する（以下、この出力信号を駆動信号ともいう）。

また、マイクロコンピュータ１７は、記憶部（不図示）を有し、その記憶部には圧力センサ３及び加速度センサ４で検出した外力の情報をそれに対応した駆動信号に変換するためのソフトウェアが格納されている。制御部１６が圧力センサ３及び加速度センサ４で得た情報に基づいて所定の周波数、振幅及び位相を有する駆動信号を出力する際には、マイクロコンピュータ１７がこのソフトウェアを読み出してこのソフトウェアを介して駆動信号を出力する。なお、ユーザは、このソフトウェア内の所定のパラメータ等を変更することにより、検出された圧力情報及び加速度情報とマイクロコンピュータ１７から出力される駆動信号の信号波形（周波数、振幅及び位相）との対応関係を適宜変更することができる。また、この対応関係は用途及びスピーカの性能等を考慮して適宜変更される。

ここで、本実施形態の制御部１６で行う処理について簡単に説明する。まず、マイクロコンピュータ１７は、圧力センサ３及び加速度センサ４でそれぞれ検出した圧力情報及び加速度情報を取得し、それらの情報に基づいて、それらの情報に対応した所定の周波数、振幅及び位相を有するスピーカの駆動信号を出力する。この際、スピーカ１及び２に対して、それぞれ別個に駆動信号を出力する。

そして、マイクロコンピュータ１７から出力された駆動信号は、アンプ回路１８に入力され、ゲイン調整が行われる。次いで、ゲイン調整された駆動信号（図２中の出力信号）は２つのスピーカ１及び２に入力される。そして、入力された駆動信号に応答して２つのスピーカ１及び２の振動面１ｓ及び２ｓが所定の周波数、振幅及び位相で振動する。

［触覚ディスプレイの動作］
次に、本実施形態の触覚ディスプレイ１０の動作を図３及び４を参照しながら説明する。図３（ａ）及び（ｂ）は、ユーザが触覚ディスプレイ１０を軽く挟持した程度の場合（以下、静止状態ともいう）の動作の様子を示した図である。図４（ａ）及び（ｂ）は、触覚ディスプレイ１０に加速度を与えた場合の動作の様子を示した図である。なお、図３及び４では、加速度センサ４及び筐体５は省略している。また、以下の説明では、図３及び４の図面上の左側のユーザの手１０１を単に左手１０１といい、右側の手を単に右手１０２という。

（１）静止状態時の動作
最初に、ユーザが触覚ディスプレイ１０を軽く挟持した程度の場合（触覚ディスプレイ１０に大きな外力を与えない場合）の動作について説明する。まず、ユーザは、触覚ディスプレイ１０の筐体５の両側面に形成された円形開口部８を両方の手のひらで塞ぐようにして、触覚ディスプレイ１０を挟持する。この際、できる限り、ユーザの手のひらとスピーカ１及び２の振動面１ｓ及び２ｓとの間に画成される空間が密閉されるように挟持することが好ましい。

次いで、ユーザが触覚ディスプレイ１０を持ったことを圧力センサ３が感知し、触覚ディスプレイ１０が起動する。次いで、圧力センサ３で検出した圧力情報に基づいて、制御部１６が、スピーカ１及び２の駆動信号の周波数及び振幅を調整して出力する。なお、この際、制御部１６は、スピーカ１及び２に同位相の駆動信号をそれぞれ出力する。それゆえ、駆動信号が入力されたスピーカ１及び２の振動面１ｓ及び２ｓは同期して振動する。例えば振動面１ｓが手のひらに近づく方向に移動したときには、振動面２ｓもまた手のひらに近づく方向に移動する。

そして、スピーカ１及び２の振動面１ｓ及び２ｓが振動することにより、ユーザの手のひらとスピーカの振動面との間の空間で空気が振動し、その空気の振動圧がユーザの手のひらに与えられる。

この際、図３（ａ）に示すように、スピーカ１及び２の振動面１ｓ及び２ｓがともに手のひらから遠ざかる方向に移動した（へこんだ）際には、両方の手のひらは、振動面１ｓ及び２ｓに引っ張られるような力（吸圧力：図３（ａ）中の白抜き矢印Ａ１）を感じる。一方、図３（ｂ）に示すように、スピーカ１及び２の振動面１ｓ及び２ｓが手のひらに近づく方向に移動した（突き出た）際には、手のひらは、振動面１ｓ及び２ｓに押されるような力（押圧力：図３（ｂ）中の白抜き矢印Ａ２）を感じる。

静止状態時の動作では、上述した空気振動による吸圧力及び押圧力が、所定の周期で繰り返され、ユーザに与えられる。この繰り返し周期は、スピーカ１及び２の駆動信号の周波数により変化する。それゆえ、本実施形態の触覚ディスプレイ１０では、スピーカ１及び２の駆動信号の周波数を制御部１６で適宜調整することにより、広い周波数範囲の振動を手のひらに与えることができる。具体的には、後述するように、数Ｈｚ〜数百Ｈｚの範囲で適度な空気振動圧を与えることができ、機械的な「硬い」感触だけでなく、生物感等の「やわらかな」感触をユーザに与えることができる。これにより、高い表現力を備える触覚ディスプレイを提供することができる。

また、本実施形態において、空気振動圧を用いてユーザの手のひらに触覚情報を与えることにより、次のような利点もある。例えば、従来の点字ピン等を用いた機械的な触覚ディスプレイの場合には、固体の移動ピンが接触して皮膚を変形させることにより情報提示を行う。このような手法でユーザに加えられる圧力の空間的分布は均一ではないので、与えるべき触覚情報以外に、移動ピンの形状等の情報（ユーザには不要な情報）を与えることになる。それに対して、本実施形態のように、空気圧を用いた場合には、手のひらに与えられる圧力の空間的分布は均一になる。つまり、手のひらに均一な圧力を与えることができる。それゆえ、空気圧を与える物の端部の形状（本実施形態では円形開口部８の形状）をユーザにほとんど知覚させることなく、空気振動圧に基づく触覚情報のみを提示することができる。

（２）圧力印加時の動作
次に、圧力センサ３で検出される圧力が変化する場合の触覚ディスプレイ１０の動作を説明する。ユーザが触覚ディスプレイ１０を挟持している際に、ユーザが触覚ディスプレイ１０を両手で圧迫したり、持つ手を緩めたりすると、圧力センサ３で検出する圧力が変化する。この圧力センサ３で検出された圧力の変化に応じて、制御部１６はスピーカ１及び２に出力する駆動信号の周波数及び振幅を変化させる。その結果、圧力センサ３で検出された圧力の変化に応じて、手のひらに感じる触感もリアルタイムで変化する。

なお、後述するように、本実施形態では、ユーザが触覚ディスプレイ１０を圧迫した場合には、制御部１６は、スピーカの駆動信号の周波数を低くし且つ不規則にするとともに、振幅も不規則に変化するように制御する。また、ユーザが触覚ディスプレイ１０を挟持する力を緩めた場合には、制御部１６は、駆動信号の周波数を高くし、振幅も大きくなるように制御する。また、上述のような動作を停止した場合には、振動面１ｓ及び２ｓの振動の振幅が徐々に減衰しながら静止状態に戻るように駆動信号の周波数及び振幅が制御される。ただし、圧力印加時の動作では、静止状態時の動作と同様に、制御部１６は、スピーカ１及び２に同位相（同信号波形）の駆動信号をそれぞれ出力する。

上述のように、本実施形態では、ユーザの触覚ディスプレイ１０を挟持する力の変化に反応して、手のひらに感じる触感もリアルタイムで変化させることができる。これにより、生物感等の「やわらかな」感触をより強調してユーザに提示することができる。

（３）加速時の動作
次に、加速度センサ４で検出される加速度が変化する場合の触覚ディスプレイ１０の動作を、図４を用いて説明する。図４（ａ）は、触覚ディスプレイ１０を図面上で右から左に振った場合のスピーカ１及び２の振動面１ｓ及び２ｓの変化を示した図である。一方、図４（ｂ）は、触覚ディスプレイ１０を図面上で左から右に振った場合のスピーカ１及び２の振動面１ｓ及び２ｓの変化を示した図である。

まず、ユーザは、触覚ディスプレイ１０の筐体５の両側面に形成された円形開口部８を、両方の手のひらで塞ぐようにして挟持する。次いで、例えば、図４（ａ）に示すように、手を図面上で右から左へ振ると（図４（ａ）中の黒太矢印Ａ３）、加速度センサ４は加速度を検知する。

次いで、加速度センサ４で検出した加速度情報に基づいて、制御部１６が、スピーカ１及び２の駆動信号の周波数、振幅及び位相（信号波形）を調整して駆動信号を出力する。この際、本実施形態では、手のひらに感じる吸圧力及び押圧力が左手１０１と右手１０２とで互いに異なるタイミングで与えられるようにするために、２つのスピーカ１及び２には、位相の異なる駆動信号をそれぞれ出力する。

そして、本実施形態では、図４（ａ）に示すように、触覚ディスプレイ１０を右から左へ振った場合には、制御部１６は、左側のスピーカ１の振動面１ｓが左手１０１の手のひらに近づく方向に移動し、右側のスピーカ２の振動面２ｓが右手１０２の手のひらから遠ざかる方向に移動するように制御する。この際、左手１０１の手のひらには押圧力が与えられ、右手１０２の手のひらには吸圧力が与えられる。

逆に、図４（ｂ）に示すように、触覚ディスプレイ１０を左から右へ振った場合（図４（ｂ）中の黒太矢印Ａ４）には、制御部１６は、左側のスピーカ１の振動面１ｓが左手１０１の手のひらから遠ざかる方向に移動し、右側のスピーカ２の振動面２ｓが右手１０２の手のひらに近づく方向に移動するように制御する。この際、左手１０１の手のひらには吸圧力が与えられ、右手１０２の手のひらには押圧力が与えられる。なお、上述のような動作を停止した場合には、振動面１ｓ及び２ｓの振動の振幅が徐々に減衰しながら上述した静止状態に戻るように、制御部１６は駆動信号の周波数、振幅及び位相を制御する。

図４（ａ）及び（ｂ）に示すような動作を繰り返すことにより、ユーザは、触覚ディスプレイ１０の内部に、例えば液体あるいはそれに似た内部で移動可能な小さな内容物が入っているような触感を得ることができる。このように、加速度センサ４で検出される加速度に基づいて、駆動信号の周波数、振幅及び位相を変化させることにより、「やわらかな」感触をより強調してユーザに提示することができる。なお、この触感は、加速度を加えた時と、スピーカの振動面が動き始めた時との時間差を変えることにより、触感を多様に変化させて「やわらかな」感触をより強調することができる。

なお、上記動作説明では、圧力と加速度が別個に与えられたときの触覚ディスプレイ１０の動作を説明したが、本実施形態では、圧力及び加速度の両方が加えられた際にも対応可能である。この場合には、検出された圧力及び加速度の情報に基づいて制御部１６はスピーカ１及び２に出力する駆動信号の周波数、振幅及び位相を制御する。それゆえ、この場合、触覚ディスプレイ１０の動作は、上述した圧力のみを加えたときの動作と、上述した加速度のみを加えたときの動作とが組み合わされた動作となり、多種多様の触感をユーザに与えることができる。

［評価試験］
本実施形態では、上述した触覚ディスプレイ１０を用いて以下のような試験１〜４を行った。なお、下記試験２〜４は約１００人の人（被試験者）に対して行った。

（１）試験１
試験１では、スピーカ１及び２の振動面１ｓ及び２ｓを１Ｈｚ〜５００Ｈｚの周波数範囲で振動させて、手のひらに与えられる圧力を測定し、触覚ディスプレイ１０の性能を調べた。なお、各周波数信号の振幅は一定とした。その結果を図５に示した。図５の特性では、横軸に対数表示で周波数をとり、縦軸に出力空気圧をとった。

図５から明らかなように、本実施形態の触覚ディスプレイ１０では、測定した周波数範囲では約１．４ｋＰａ以上の空気圧を手のひらに与えることができる。特に、１Ｈｚ〜約３００Ｈｚの周波数範囲では、約１．４ｋＰａの空気圧を安定して手のひらに与えることができることが分かる。なお、１．４ｋＰａの空気圧は、約４００ｇ重の力に相当する。

図５の結果から、本実施形態の触覚ディスプレイ１０は、非常に高い時間的解像度（周波数のダイナミックレンジ）を有していることが確認された。

（２）試験２
試験２では、スピーカ１及び２の振動周波数と、実際にユーザが感じる触感との間の相関関係を調べる試験を行った。具体的には、振動周波数を１Ｈｚ〜３００Ｈｚの範囲で変化させて、各周波数でユーザがどのような触感を感じるかを調べた。

試験２の結果、１Ｈｚ〜３Ｈｚの低周波数域及び３Ｈｚ〜３０Ｈｚの中周波数域では、ほとんどの被試験者が、手のひらに柔らかな触感を感じ、そして、手の中に生物がいるような感覚が得られたと報告した。また、３０Ｈｚ〜３００Ｈｚの高周波数域では、ほとんどの被試験者が、モータやソレノイドの振動に似た振動の感覚が得られたと報告した。

なお、低周波数域においては、ほとんどの被試験者が、犬や猫のような中型の生物をイメージし、中周波数域では、小さな鳥やハムスターのような小さな生物をイメージした。この違いの理由は、生物の鼓動の周波数が生物のサイズに比例して早くなるためである。ただし、イメージされた生物のタイプは被試験者によって異なっていた。

また、本実施形態の触覚ディスプレイ１０では、触覚情報を空気圧で与えているので、上述のように、硬くないものが皮膚に接触するとともに、空気圧を与える物の端部の形状（本実施形態では円形開口部８の形状）をほとんど知覚させない。これらの特徴もまた、被試験者に生物をイメージさせる重要な役割を果たしているようである。

以上の結果から、本実施形態の触覚ディスプレイ１０では、機械的な「硬い」感触だけでなく、生物感等の「やわらかな」感触をユーザに与え、情動的な触覚情報を与えることができることが分かった。

（３）試験３
試験３では、触覚ディスプレイ１０に圧力が加えられた際（圧力センサ３で検出する圧力情報が変化した際）の触覚ディスプレイ１０で得られる触感の変化を調べた。具体的には次のような試験を行った。

まず、被試験者が触覚ディスプレイ１０の筐体５の両側面に形成された円形開口部８を、両方の手のひらで塞ぐように且つ抱えこむようにして挟持する（初期状態）。このときの制御部１６から２つのスピーカ１及び２に出力される駆動信号の波形の例を図６（ａ）に示した。この際、安定した周波数及び振幅の駆動信号が制御部１６から２つのスピーカ１及び２に出力されるので、両方の手のひらに適度な周波数及び振幅を有する触感が与えられる。

次いで、被試験者が、触覚ディスプレイ１０を挟持する力を強める（触覚ディスプレイ１０を圧迫する）と、その圧力情報を圧力センサ３が検出し、その検出された圧力情報に基づいて、制御部１６が２つのスピーカ１及び２に出力する駆動信号の波形を変化させる。この際の制御部１６から２つのスピーカ１及び２に出力される駆動信号の波形の例を図６（ｂ）に示した。

本実施形態では、被試験者が触覚ディスプレイ１０を圧迫すると、制御部１６により駆動信号の周波数が低くなり且つ不規則になるように制御され、また、振幅も不規則に変化するように制御される。そのため、被試験者が触覚ディスプレイ１０を圧迫すると、制御部１６の出力波形は図６（ｂ）に示すような断続的な波形となる。

図６（ｂ）に示すような駆動信号に対応した空気振動圧は、手のひらに「苦しそうな生物（鼓動）」の感覚を伝える。実際、ほとんどの被試験者から「苦しそうな生物（鼓動）」の感覚が得られたと報告された。

次に、上述のようにして触覚ディスプレイ１０を圧迫した後、被試験者が触覚ディスプレイ１０を挟持する力を緩めると、その圧力情報を圧力センサ３が検出し、その検出された圧力情報に基づいて、制御部１６が２つのスピーカ１及び２に出力する駆動信号の波形を変化させる。この際の制御部１６から２つのスピーカ１及び２に出力される駆動信号の波形の例を図６（ｃ）に示した。

本実施形態では、ユーザが触覚ディスプレイ１０を挟持する力を緩めた場合には、制御部１６は、駆動信号の周波数を高くし、振幅も大きくなるように制御する。それゆえ、図６（ｃ）に示すように、被試験者が触覚ディスプレイ１０を挟持する力を緩めると、周波数は高くなり、振幅も大きくなる。このような駆動信号に対応した空気振動圧は、手のひらに「緊張した生物の息切れ」のような感覚を伝える。実際、ほとんどの被試験者から「緊張した生物の息切れ」の感覚が得られたと報告された。そして、時間と共に、駆動信号は次第に初期状態（図６（ａ）に示す波形）に戻る。

上述したように、本実施形態の触覚ディスプレイ１０では、ユーザが触覚ディスプレイ１０に加える圧力を変化させると、そのユーザの動作にリアルタイムで反応して触感を変化させることができる。すなわち、生物感等の「やわらかな」感触（情動的な触覚情報）をより強調してユーザに与えることができることが分かった。

（４）試験４
試験４では、被試験者が触覚ディスプレイ１０を挟持した状態で、左右横方向に触覚ディスプレイ１０を揺らし（図４（ａ）及び（ｂ）の動作）、その際に感じる触感を調べた。その結果、多くの被試験者から、触覚ディスプレイ１０の内部に液体が入っているような感覚が得られたと報告された。すなわち、本実施形態の触覚ディスプレイ１０では、加速度センサ４で検出される加速度に基づいて、振動面の周波数、振幅及び位相を変化させることにより、「やわらかな」感触をより強調してユーザに提示することができることが分かった。

上記第１の実施形態では、圧力センサ及び加速度センサを備える触覚ディスプレイについて説明したが、本発明はこれに限定されない。どちらか一方のセンサを備える触覚ディスプレイであってもよいし、センサを備えなくてもよい。いずれの場合においても、スピーカから数Ｈｚ〜数百Ｈｚの広い周波数範囲でスピーカの振動面を振動させて空気振動圧を手のひらに与えることができる。それゆえ、いずれの場合においても、機械的な「硬い」感触だけでなく、生物感等の「やわらかな」感触をユーザに与えることができ、高い表現力を備える触覚ディスプレイを提供することができる。

また、本実施形態では、フルレンジスピーカを用いているので、音（高周波）と触覚（低周波）を同時に提示することができる。これにより聴覚と触覚の複合感覚を単一の装置で提示することが可能である。なお、従来、聴覚と触覚を単一の装置で提示するものとしては、例えば、ＮＥＣトーキン社製のマルチアクターや、並木精密宝石（株）製のバイブレーションスピーカ等で実用化されている。しかしながら、これらの装置では触覚提示する方法として、おもりを振動させる方式を用いており、従来の着用触覚ディスプレイ（図１５中の領域１１２のディスプレイ）と同様に提示できる感覚は非常に限られている（時間的解像度が低い）。

なお、第１の実施形態では、ユーザが触覚ディスプレイを挟持した際のその圧力を圧力センサで検出して触覚ディスプレイを起動したが、圧力センサを備えない触覚ディスプレイでは、ユーザが電源スイッチ等を手動で入れるなどして起動する。

＜２．第２の実施形態＞
第１の実施形態の触覚ディスプレイでは、ユーザが使用する際、触覚ディスプレイの筐体の両側面に形成された円形開口部を、両方の手のひらで塞ぐようにして挟持した。しかしながら、手の大きさや持ち方によっては、筐体の円形開口部を十分に塞ぐことができない場合がある。この場合、ユーザの手のひらとスピーカの振動面との間に画成される空間が十分に密閉されず、空気圧が漏れ、それにより適度な触感が得られなくなる。本実施形態では、このような問題を解決するための触覚ディスプレイを説明する。本実施形態の一例を図７に示した。

図７（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の触覚ディスプレイの概略構成図である。図７（ａ）は、本実施形態の触覚ディスプレイの斜視図であり、図７（ｂ）は、本実施形態の触覚ディスプレイの側面図であり、図７（ｃ）は、図７（ｂ）中のＢ−Ｂ断面図である。

本実施形態では、図７に示すように、触覚ディスプレイ２０の筐体５の両側面に形成された円形開口部８を覆うように弾性シート２５を設けた。それ以外の構成は、第１の実施形態と同様とした。

本実施形態のように、弾性シート２５を触覚ディスプレイ２０の筐体５の両側面に形成された円形開口部８を覆うようにして設けると、弾性シート２５とスピーカ１及び２の振動面１ｓ及び２ｓとの間に画成される空間が確実に密閉される。これにより、ユーザの手の大きさや触覚ディスプレイ２０の持ち方に関係なく、空気振動圧の漏れを防ぐことができる。それゆえ、本実施形態では、ユーザの手の大きさや触覚ディスプレイ２０の持ち方に関係なく、弾性シート２５を介して手のひらに適度な触感を確実に安定して与えることができる。

本実施形態では、上述のように、手のひらには、弾性シート２５を介して間接的に空気振動圧が与えられるので、弾性シート２５としては、人肌に近いような柔らかな触感を与えるシートを用いることが好ましい。本実施形態では、弾性シート２５として、厚さ約１ｍｍのシリコーンシートを用いた。また、本実施形態の触覚ディスプレイ２０を動物の触感を得るために用いる場合には、弾性シート２５の表面に毛をつけてもよい。

また、本実施形態では、手のひらには、弾性シート２５を介して間接的に空気振動圧が与えられるが、この際、スピーカにより発生した空気振動圧のうち弾性シート２５の張力に相殺される分を差し引いた振動圧が手のひらに与えられる。それゆえ、手のひらに十分な振動圧を与えるために、できる限り弾性シート２５の厚さを薄くすることが望ましい。

さらに、弾性シート２５の厚さの空間分布を変えると、スピーカにより発生した空気振動圧のうち弾性シート２５の張力に相殺される分の空間分布が変化するので、振動圧により手のひらに伝わる触感の空間分布を変化させることができる。また、弾性シート２５の厚さの空間分布を変えることにより、筐体の円形開口部の形状をユーザに全く知覚させることなく触覚情報を与えることも可能になる。

＜３．第３の実施形態＞
第１及び第２の実施形態では、触覚ディスプレイを単独で使用する例を説明したが、本発明の触覚ディスプレイは他の情報提示装置と組み合わせて使用することもできる。この場合、触覚と、その他の感覚（聴覚、視覚等）とを組み合わせた情報提示が可能になる。その一例を図８に示した。

［装置構成］
図８は、本実施形態の情報端末装置５０の概略外観図である。情報端末装置５０は、図８に示すように、触覚ディスプレイ３０と、携帯通信端末４０とから構成され、触覚ディスプレイ３０は、携帯通信端末４０の裏面（キー操作部とは反対側の面）に設置されている。

触覚ディスプレイ３０の筐体３２は、肉厚の略板状を有しており、筐体３２の上面の中央には、スピーカ３１の振動面３１ｓを露出させるための円形開口部３３が形成されている。なお、筐体３２はＡＢＳ樹脂で形成されている。また、スピーカ３１にはボイスコイル型スピーカを用いた。また、圧力センサ３４は、第１の実施形態と同様のものを用い、円形開口部３３の近傍の筐体３２内部に取り付けた。

また、図９には、情報端末装置５０のブロック構成図及び、情報端末装置５０が本実施形態と同様の構成の他の情報端末装置５１と無線通信する様子を示した図である。

本実施形態の触覚ディスプレイ３０は、図９に示すように、スピーカ３１と、アンプ回路３９と、センサ群３８と、触覚ディスプレイ３０の動作を制御するマイクロプロセッサ４１とを備える。これらの各部は、筐体３２の内部に設けられている。なお、触覚ディスプレイ３０の駆動電源は装置の外部から供給しても良いし、携帯通信端末４０の電源を用いてもよい。

本実施形態では、図９に示すように、センサとして、圧力センサ３４及び加速度センサ３５だけでなく、ユーザの手のひらの発汗量を検知する発汗センサ３６とユーザの脈拍情報を検知する脈拍センサ３７を設けた。これらのセンサによりユーザの心理状況に関するデータを駆動信号に反映させることが可能になる。

一方、携帯通信端末４０は、外部と無線通信を可能とする無線ＬＡＮ（Local Area Network）モジュール４２（通信部）と、無線ＬＡＮモジュール４２での情報の送受信を制御する制御部（不図示）とを備える。

なお、本実施形態では、上述のように、触覚ディスプレイ３０と携帯通信端末４０とが、別個に制御部を備える構成となっているが、本発明はこれに限定されない。どちらか一方の制御部で触覚ディスプレイ３０及び携帯通信端末４０両方の動作を制御しても良い。この場合には、触覚ディスプレイ３０と携帯通信端末４０とから構成される情報端末装置５０が触覚情報提示装置となる。

触覚ディスプレイ３０のマイクロプロセッサ４１は、図９に示すように、携帯通信端末４０の無線ＬＡＮモジュール４２と接続されている。これにより、触覚ディスプレイ３０は、無線ＬＡＮモジュール４２を介して、スピーカの駆動信号の提示波形パラメータ（周波数、振幅等）を他の情報端末装置５１との間で送受信可能な構成になっている。なお、本発明はこれに限定ざれず、無線ＬＡＮ以外にも、携帯電話のネットワーク機能（Ｗ−ＣＤＭＡ、ＣＤＭＡ−２０００など）を用いてもよい。

［情報端末装置の動作］
次に、本実施形態の情報端末装置５０の動作を図１０及び１１を参照しながら説明する。図１０は、情報端末装置５０が他の情報端末装置５１にスピーカの駆動信号の提示波形パラメータ（または駆動信号そのもの）を送信する際の動作手順を示したフローチャートである。図１１は、情報端末装置５０が他の情報端末装置５１からスピーカの駆動信号の提示波形パラメータを受信した際の動作手順を示したフローチャートである。

まず、情報端末装置５０がスピーカの駆動信号の提示波形パラメータを送信する際の動作を図１０を用いて説明する。ユーザは情報端末装置５０を起動し、片方の手のひらで触覚ディスプレイ３０のスピーカ３１の振動面３１ｓを塞ぐようにして情報端末装置５０を把持する。次いで、ユーザは携帯通信端末４０の表示画面のメニューに従って、波形提示パラメータを送受信する他の情報端末装置５１を登録する（ステップＳ１１）。これにより、情報端末装置５０と他の情報端末装置５１との間で互いに波形提示パラメータを送受信することが可能になる。次いで、実際に通信可能かどうかのチェックを行う（ステップＳ１２）。ステップＳ１２でＮｏ判定となった場合（通信不能の場合）には、ステップＳ１１に戻って、他の情報端末装置５１の登録をやり直す。

ステップＳ１２でＹｅｓ判定となった場合（通信可能が確認された場合）、触覚ディスプレイ３０のマイクロプロセッサ４１の制御により、各センサで各値を検出する（ステップＳ１３）。各センサで検出された情報は、マイクロプロセッサ４１に入力される。次いで、マイクロプロセッサ４１は、検出した各センサの値に基づいて、それに対応するスピーカの駆動信号の提示波形パラメータを算出する（ステップＳ１４）。この際、人間の鼓動のような触感をスピーカで与える場合には、駆動信号の周波数は約１〜３Ｈｚで調整することが好ましい。

次いで、触覚ディスプレイ３０のマイクロプロセッサ４１は、算出した提示波形パラメータを携帯通信端末４０の無線ＬＡＮモジュール４２に出力する。この際、マイクロプロセッサ４１は、スピーカ３１にも駆動信号を出力し、それに応答してスピーカ３１の振動面３１ｓが振動し、ユーザは、触覚ディスプレイ３０から適度な触感を手のひらで感じることができる。

次に、ユーザは他の情報端末装置５１と無線通信し、提示波形パラメータを他の情報端末装置５１に送信する（ステップＳ１５）。

次いで、マイクロプロセッサ４１は、送信終了のコマンドが入力されたか否か判定する（ステップＳ１６）。終了コマンドが入力されれば、送信動作を終了する。終了コマンドが入力されていない場合（例えば、続けて別の提示波形パラメータを送信する場合）には、ステップＳ１２に戻って、上記ステップＳ１２〜Ｓ１５の動作を繰り返す。

次に、情報端末装置５０がスピーカの駆動信号の提示波形パラメータを受信した際の動作を図１１を用いて説明する。まず、ユーザは情報端末装置５０を起動する（ステップＳ２１）。次いで、ユーザは他の情報端末装置５１と無線通信し、提示波形パラメータを他の情報端末装置５１から受信する（ステップＳ２２）。

次いで、触覚ディスプレイ３０のマイクロプロセッサ４１は、受信した提示波形パラメータに基づいて、スピーカ３１の駆動信号を生成する（ステップＳ２３）。次いで、マイクロプロセッサ４１は、駆動信号（デジタル信号）をアナログ信号に変換して、そのアナログ信号を、アンプ回路３９を介してスピーカ３１に出力する（ステップＳ２４）。これにより、スピーカ３１の振動面３１ｓは他の情報端末装置５１から送られてきた提示波形パラメーに基づいて振動し、ユーザは、触覚ディスプレイ３０から適度な触感を手のひらで感じることができる。

次いで、マイクロプロセッサ４１は、受信終了のコマンドが入力されたか否か判定する（ステップＳ２５）。終了コマンドが入力されれば、受信動作を終了する。終了コマンドが入力されていない場合（例えば、続けて別の提示波形パラメータを受信する場合）には、ステップＳ２２に戻って、上記ステップＳ２２〜Ｓ２４の動作を繰り返す。

本実施形態では、上述のようにして、触覚ディスプレイのスピーカに入力する駆動信号（触覚情報）の提示波形パラメータを離れた２つの情報端末装置間で互いに送受信することができる。これにより、触覚情報の送信者と受信者には、手を握った状態で会話しているような感覚が得られる。なお、この際、例えば、ヘッドホン、イヤホン等を用いて会話することにより、情報端末装置を耳元に持ってくる必要がなくなるので、よりリアルに手を握った状態で会話しているような感覚を実現することができる。

＜４．第４の実施形態＞
第４の実施形態では、本発明の触覚ディスプレイを他の情報提示装置と組み合わせて使用する別の例を説明する。本実施形態では、触覚ディスプレイと携帯ゲーム機等の手持ちサイズのデバイスとから構成される情報端末装置について説明する。なお、本実施形態では手持ちサイズのデバイスとして携帯ゲーム機を用いた例を説明する。

［装置構成］
図１２は、本実施形態の情報端末装置のブロック構成図である。本実施形態の情報端末装置８０は、図１２に示すように、触覚ディスプレイ６０と携帯ゲーム機７０とから構成される。触覚ディスプレイ６０を、携帯ゲーム機７０の裏面（タッチパネル７１とは反対側の面）に設置した。なお、触覚ディスプレイ６０の外観は、第３の実施形態（図８参照）と同様とした。

本実施形態の触覚ディスプレイ６０は、図１２に示すように、スピーカ６１と、アンプ回路６２と、圧力センサ６３と、加速度センサ６４とを備える。これらの各部は、ＡＢＳ樹脂で形成された筐体６５の内部に設けられている。なお、触覚ディスプレイ６０の駆動電源は装置の外部から供給しても良いし、携帯ゲーム機７０の電源を用いてもよい。

一方、携帯ゲーム機７０は、スタイラスペン１００（またはユーザの指）のタッチにより情報入力が行われるタッチパネル７１と、タッチパネル７１に画像表示を行う画像表示ユニット７２とを備える。また、携帯ゲーム機７０は、触覚ディスプレイ６０及び携帯ゲーム機７０の動作を制御するマイクロプロセッサ７３を備える。すなわち、本実施形態の情報端末装置８０では、触覚ディスプレイ６０及び携帯ゲーム機７０の動作制御を共通のマイクロプロセッサ７３で行う。それゆえ、本実施形態では、情報端末装置８０が触覚情報提示装置になる。

［情報端末装置の動作］
次に、本実施形態の情報端末装置８０の動作を図１３を参照しながら説明する。図１３は、情報端末装置８０の動作手順を示したフローチャートである。

まず、ユーザは情報端末装置８０を起動し、片方の手のひらで触覚ディスプレイ６０のスピーカ６１の振動面６１ｓを塞ぐようにして情報端末装置８０を把持する。

次いで、マイクロプロセッサ７３の制御により、加速度センサ６４で加速度を検出する（ステップＳ３１）。次いで、マイクロプロセッサ７３は、検出した加速度を所定の閾値と比較し、加速度がその閾値を越えているかどうか判定する（ステップＳ３２）。

なお、ステップＳ３２は、ユーザの動作ぶれやノイズなどによる誤動作を減らすために行う動作である。すなわち、ステップＳ３２では、情報端末装置８０の動きがゲーム操作のような意図のある動きであるのか、ユーザの動作ぶれのような動きであるのかを判定する。なお、上述した両者の動きを識別する閾値はゲーム機の内容等に応じて適宜設定される。

ステップＳ３２でＹｅｓ判定の場合（検出した加速度が所定の閾値を越えている場合）には、ユーザがゲーム操作のような意図のある動きをしたことになるので、マイクロプロセッサ７３は、その加速度に対応した加速度項を算出する（ステップＳ３３）。なお、ここでいう加速度項とは次のような数値である。通常、加速度センサで検出した値は電圧値であるので、ゲーム機で加速度の値を使用する場合には、その値をゲーム操作の制御処理で使用（計算）しやすくするために、実際の加速度のスケールに単位変換したり、バーチャル世界と実世界と間におけるスケール変換を行う必要がある。このように、実測された加速度の値を、ゲーム操作の制御処理用の所定スケールに変換した値を加速度項という。

一方、ステップＳ３２でＮｏ判定の場合（検出した加速度が所定の閾値を越えていない場合）には、ユーザがゲーム操作のような意図のある動きをしていないので、何もせず、ステップＳ３４に進む。

次いで、ステップＳ３４では、マイクロプロセッサ７３が、タッチパネル７１にスタイラスペン９０（または指）により入力がなされたか否かを判定する（ステップＳ３４）。具体的には、ユーザがタッチパネル７１にタッチしてゲームの所定操作を行ったか否かを判定する。ステップＳ３４でＮｏ判定の場合（入力なしの場合）には、ステップＳ３１に戻り、上記ステップＳ３１〜Ｓ３４を繰り返す。

一方、ステップＳ３４でＹｅｓ判定の場合（入力ありの場合）には、入力位置が表示画面のＣＧ（Computer Graphics）オブジェクト上であるか否かを判定する（ステップＳ３５）。ステップＳ３５でＹｅｓ判定の場合（入力位置がＣＧと重なる場合）には、ユーザが所定のゲーム操作を行ったことを示すので、入力位置における入力圧力を圧力センサ６３で検出する（ステップＳ３５）。

次いで、マイクロプロセッサ７３は、ＣＧオブジェクトのパラメータ（重さ、材質等）、及び算出した加速度項を用い、入力圧力に対する駆動信号の波形を物理シミュレーションにより算出する（ステップＳ３７）。具体的には、圧力のかかる位置や加速度の値等によって、ゲーム内容（バーチャル世界）の挙動も変化するので、その変化とユーザに触覚情報を与えるタイミングとが対応するように駆動信号の波形形状を調整する。なお。ステップＳ３７では、ゲーム操作には様々な操作があるので、駆動信号の周波数は触覚で知覚可能な全周波数範囲（約０．１Ｈｚ〜１ｋＨｚ）で調整することが好ましい。

一方、ステップＳ３５でＮｏ判定の場合（入力位置がＣＧと重ならない場合）には、ユーザが所定のゲーム操作を行っていないことを示すので、マイクロプロセッサ７３は、算出した加速度項のみを用いて、スピーカに出力する駆動信号の波形を物理シミュレーションにより算出する（ステップＳ３８）。

次いで、マイクロプロセッサ７３は、算出したスピーカに出力する駆動信号（デジタル信号）をアナログ信号に変換して、アンプ回路６２を介してスピーカ６１に出力する（ステップＳ３９）。これにより、スピーカ６１の振動面６１ｓはその駆動信号に基づいて振動し、ユーザは、触覚ディスプレイ６０から適度な触感を手のひらで感じることができる。

次いで、マイクロプロセッサ７３は、動作終了のコマンドが入力されたか否か判定する（ステップＳ４０）。終了コマンドが入力されれば、動作を終了する。一方、終了コマンドが入力されていない場合（例えば、続けてゲームを続行する場合）には、上記ステップＳ３１〜Ｓ３９の動作を繰り返す。

本実施形態では、上述のようにして、ユーザにより携帯ゲーム機７０に加えられた加速度及びタッチパネルに入力された圧力に応じて、触覚ディスプレイ６０から手のひらに与えられる触感を変化させる。ここで、本実施形態の動作をより具体的に説明する。例えば、バーチャル空間内のボールとユーザとがインタラクションする場合を考える。この場合、まず、ユーザがＣＧ上のボールを指で押す。これにより、ボールがバーチャル空間内で弾みながら移動する。この際、ボールのバウンド時に、触覚ディスプレイ６０を介して手のひらに衝撃が触覚情報として提示される。それゆえ、本実施形態では、ユーザはより臨場感に富んだ感覚を感じながらゲーム等を楽しむことができる。

なお、本実施形態では、手持ちデバイスとして携帯ゲーム機を用いた例を説明したが、本発明はこれに限定されない。スタイラスペン（または指）等でタッチすることにより情報入力が行われるタッチパネルを備える手持ちサイズのデバイス（例えばＰＤＡ（Personal Digital Assistant）等）であれば任意のデバイスに適用できる。

［変形例１］
変形例１では、第３の実施形態と第４の実施形態とを組み合わせたシステムを説明する。図１４に、この例の構成例を示した。この例のシステムは、図１４に示すように、第３の実施形態と同様の構成である情報端末装置５０と、第４の実施形態と同様の構成である情報端末装置９０とから構成される。

情報端末装置５０は、携帯通信端末４０及び触覚ディスプレイ３０を備える。一方、情報端末装置９０は、スタイラスペン（または指）１００等でタッチするにより情報入力が行われるタッチパネル９１を有する手持ちサイズのデバイス９２及び触覚ディスプレイ９３を備える。ただし、この例の情報端末装置９０は、スピーカの駆動信号の提示波形パラメータ（周波数、振幅等）を情報端末装置５０に送信する送信機能を備えている。

このようなシステムでは、まず、情報端末装置９０のユーザが、スタイラスペン１００（または指）等でタッチパネル９１に対して所定の動作（例えば、押したり、くすぐったりする）を行う。これにより、その動作に対応したスピーカの駆動信号の提示波形パラメータが情報端末装置９０のマイクロプロセッサから出力される。そして、その提示波形パラメータは、自身の装置９０のスピーカだけでなく、情報端末装置５０のスピーカにも送信される（図１４中の破線矢印）。この場合、情報端末装置５０のユーザ及び情報端末装置９０のユーザ間で、共通の触感を感じることができ、情報端末装置９０から情報端末装置５０への一方向のコミュニケーションが可能になる。

上述した第３及び第４の実施形態及び変形例１では、触覚ディスプレイを携帯通信端末等の手持ちサイズの情報提示装置と組み合わせて用いた例を説明したが、それ以外では、本発明の触覚ディスプレイをぬいぐるみの中に搭載しても良い。この場合、ぬいぐるみに対して生物感のような触感を与えるために、スピーカの駆動信号の周波数を、ぬいぐるみの動物の種類の鼓動周波数（脈拍）とほぼ同じになるように調整することが好ましい。なお、ハツカネズミの脈拍は１０Ｈｚ以上、普通のネズミの脈拍は約５Ｈｚ、猫の脈拍は約３Ｈｚ、馬の脈拍は約０．５Ｈｚ、そして、象の脈拍は約０．３Ｈｚである。

＜５．第５の実施形態＞
第５の実施形態では、触覚情報を時間伸縮する（触覚情報の再生速度を変化させる）機能を有する触覚ディスプレイ及び触覚情報提示システムの構成例について説明する。なお、本実施形態では、触覚情報を時間伸縮せずに再生する（以下、リアルタイム再生という）ことができるだけでなく、触覚情報をスロー再生することのできる触覚ディスプレイ及び触覚情報提示システムの構成例について説明する。

［触覚情報提示システム（触覚ディスプレイ）の構成及び動作］
図１５に、本実施形態の触覚情報提示システムの概略構成を示す。本実施形態の触覚情報提示システム１２０は、主に、再生部１２１と、制御部１２５とで構成される。

再生部１２１は、触覚提示用のスピーカ１２２と、映像表示装置１２３と、音声再生装置１２４とを備える。触覚提示用のスピーカ１２２には、上記第１〜第４の実施形態と同様にボイスコイル型のフルレンジスピーカを用いることができる。映像表示装置１２３としては、例えば液晶ディスプレイ等を用いることができる。また、音声再生装置１２４としては、ボイスコイル型スピーカを用いることができる。

制御部１２５は、コンピュータ装置１２６（再生速度調整部）と、アンプ回路１２７とを備える。コンピュータ装置１２６は、映像表示装置１２３及び音声再生装置１２４に直接接続されており、スピーカ１２２には、アンプ回路１２７を介して接続される。なお、図１５中の破線で囲まれた部分が本実施形態における触覚ディスプレイ１２８（触覚情報提示装置）の構成部となる。

コンピュータ装置１２６は、メモリを内蔵しており、メモリには、予め所定の触覚情報（振動データ）が記録されるとともに、その触覚情報を取得する際に記録した触覚情報に対応する現象の映像及び音声が記録される。また、コンピュータ装置１２６は、スピーカ１２２で触覚情報を再生する際に、所定の触覚情報の信号（スピーカ１２２の駆動信号）、並びに、それに対応する映像信号及び音声信号を同期させて同時に出力する。なお、映像信号及び音声信号は、別個に出力してもよいし、音声及び映像データを所定の編集ソフトウェアで合成し、ムービー信号として出力してもよい。

そして、本実施形態では、コンピュータ装置１２６は、触覚情報、映像情報及び音声情報をリアルタイム再生するだけでなく、スロー再生することもできる。触覚情報をスロー再生する場合には、コンピュータ装置１２６は、サンプリングレートをリアルタイム再生時のサンプリングレートの例えば１／１０、１／２０、１／４０等に更新して再生する。なお、スロー再生時の駆動信号はリアルタイム再生時のそれに比べてエネルギーが小さくなる。それゆえ、スロー再生時には、リアルタイム再生時と同等の強度の触感が得られるように、アンプ回路１２７により駆動信号のゲインを調整することが好ましい。

なお、本実施形態の触覚情報提示システム１２０では、音声再生装置１２４を備える構成例を説明したが、触覚ディスプレイ１２８のスピーカ１２２も音声を発生するので、音声再生装置１２４を備えなくてもよい。また、通常、触覚のみで体感している現象、例えば、バットでボールを打ったときの感覚などの再生に本発明の触覚ディスプレイを適用する場合には、映像表示装置１２３を備えない構成にしてもよい。ただし、視覚及び／又は聴覚と、触覚とで合わせて体感する現象に対しては、本実施形態のように、映像表示装置１２３及び／又は音声再生装置１２４を備えることにより、より臨場感のある感覚を得ることができる。

［評価試験］
次に、上述した本実施形態の触覚情報提示システム１２０（触覚ディスプレイ１２８）を用いて行った触覚情報のスロー再生試験について説明する。まず、この評価試験で用いた触覚情報の記録システムについて簡単に説明する。

図１６に、本実施形態の評価試験で用いた触覚情報記録装置（振動計測台）の概略構成を示す。触覚情報記録装置１３０は、主に、ボイスコイル型のスピーカ１３１と、その振動面上に配置された円錐型接触子１３２と、振動検出板１３３と、それを支持する支持部材１３４とを備える。

円錐型接触子１３２は、例えば昆虫マイクのような振動検出プローブであり、その先端部は、振動検出板１３３の物体１４０が落とされる側の面とは反対側の面に接触している。振動検出板１３３は、例えばプラスチック製の板部材等により構成される。また、スピーカ１３１は、記憶装置１３５に接続される。なお、記憶装置１３５は、外部のコンピュータ装置内のメモリ等であってもよいし、図１５に示す触覚情報提示システム１２０内のコンピュータ装置１２６に内蔵されたメモリであってもよい。

本実施形態で用いる触覚情報記録装置１３０において、振動検出板１３３上に所定の物体１４０が落とされると（図１６中の白抜き矢印）、振動検出板１３３が振動する。そして、この振動検出板１３３の振動は、円錐型接触子１３２を介してスピーカ１３１に伝わる。スピーカ１３１では、検出した振動が電圧変化に変換され、その電圧変化の信号が記憶装置１３５に記録される。本実施形態の評価試験では、このようにして得た振動信号を、図１５に示す触覚情報提示システム１２０でスロー再生する。

このような構成の触覚情報記録装置１３０では、高いサンプリングレート（例えば４４ｋＨｚ以上）で振動検出板１３３の振動を記録することができる。また、このような記録システムでは、振動検出板１３３の振動を直接的に検出することができるので、この検出で得られた振動信号を再生した場合には、よりリアルな振動検出板１３３の振動を再現することが可能になる。

なお、本実施形態では、触覚情報提示システム１２０（図１５）が、図１６に示すような記録システムを備えない構成例を説明したが、本発明はこれに限定されず、触覚情報提示システム１２０が触覚情報を記録する装置（システム）を備えていてもよい。

また、触覚情報の記録システムは、図１６に示す例に限定されない。高サンプリングレート及び高分解能で触覚情報を記録できる記録システムであれば、任意のシステムを用いることができる。例えば、図１６に示す記録システムの例では、ボイスコイル型のスピーカ１３１を用いて触覚情報を取得したが、このスピーカ１３１の代わりに、例えば、レーザー変位計等を用いてもよい。この場合でも高サンプリングレート及び高分解能で触覚情報を取得することができる。

次に、本実施形態の評価試験の具体的な内容を説明する。まず、図１６に示す触覚情報記録装置１３０を用いて、種々の物体１４０を振動検出板１３３に落とし、その時の振動信号を記録する。なお、振動信号の記録サンプリングレートは４４ｋＨｚとした。また、物体１４０としては、プラスチック製リモコン、シリコンゴム及び金属製ナットを用い、各物体１４０においてそれぞれ振動信号を検出した。なお、金属製ナットを用いた試験では、２０個程度の金属製ナットを振動検出板１３３上に落とした。

また、この例では、触覚情報記録装置１３０で振動信号を検出すると同時に、種々の物体１４０を振動検出板１３３上に落とした際の映像データ及び音声データをそれぞれ高速度カメラ及びマイクで記録した。なお、映像データの記録フレームレートは、３００ｆｐｓ、６００ｆｐｓ及び１２００ｆｐｓとした。また、本実施形態では、映像及び音声データ編集用のソフトウェアを用いて、測定した映像及び音声データを合成してムービーデータを作成した。

次に、上述のようにして得た各物体１４０落下時の振動信号、ムービーデータ（映像及び音声データ）を触覚情報提示システム１２０のコンピュータ装置１２６内のメモリに記憶する。そして、被験者の手のひらで触感情報提示システム１２０のスピーカ１２２の開口部を塞いだ後、外部の操作入力装置（例えばキーボード等）により、触覚情報の再生開始の司令コマンド、再生速度の情報等を入力し、触覚情報のスロー再生を開始する。なお、この評価試験では、リアルタイム再生（サンプリングレート４４ｋＨｚ）の１／１０（４．４ｋＨｚ）、１／２０（２．２ｋＨｚ）及び１／４０（１．１ｋＨｚ）の各再生速度で触覚情報を再生した。

なお、この際、触覚情報提示システム１２０内の映像表示装置１２３は、常に３０ｆｐｓのフレームレートでムービーデータを再生する。上述のように、この例では映像データを３００ｆｐｓ、６００ｆｐｓ及び１２００ｆｐｓの各記録フレームレートで取得する。それゆえ、各記録フレームレートに対応するムービーデータを３０ｆｐｓのフレームレートで再生すると、ムービーデータの再生速度はリアルタイム再生のそれぞれ１／１０、１／２０及び１／４０になる。これにより、スロー再生時にも触覚情報とムービーデータとを同期させて再生することができる。

上述した評価試験を複数の被験者に対して行った結果、次のような意見が得られた。

物体１４０としてプラスチック製リモコンを用いた場合には、リモコンが衝突した際の微細なぐらつきまでも確実に感じることができた。また、再生速度を遅くするほど、振動検出板１３３の振動状態も知覚でき、臨場感が高まった。

物体１４０としてシリコンゴムを用いた場合には、リモコンとの質感の違いを明確に認識することができた。また、最も遅い再生速度では、振動検出板１３３とシリコンゴムとの接触時に生じる「グニャリ」とした感触も得られた。

物体１４０として金属製ナットを用いた場合には、金属特有の硬質感が得られた。また、金属製ナットが１個ずつ振動検出板１３３に衝突する感触や、衝突後の金属製ナットの動きまで感じることができた。

また、評価全般において、スローモーション映像の再生時と同様に、リアルであり不思議な感触が得られたという意見が多く聞かれた。

上述した評価試験の結果から、スピーカを用いた触覚ディスプレイ１２８において、触覚情報をスロー再生した場合においても、視覚や聴覚に対するスローモーション効果と同様の効果を得られることが分かった。すなわち、本実施形態の触覚情報提示システム１２０において、触覚情報のスロー再生を行った場合には、スローモーション特有の現象を理解する効果及び情動に訴える効果が得られることが分かった。

それゆえ、触覚情報のスロー再生可能な触覚情報提示システム１２０は、例えば科学の実験セットの教材として好適である。また、例えば、バットやゴルフクラブのグリップ部等に、本実施形態の触覚ディスプレイ１２８を設置してスロー再生した場合には、ボールを実際に打ったときの感触をよりリアルに感じることができる。さらに、運動選手等が、所定動作の型（感触）を覚えるためにゆっくりした動作でトレーニングする際の道具としても、本実施形態の触覚情報提示システムは好適である。

上記第５の実施形態では、主に、触覚情報をスロー再生する例を説明したが、本発明はこれに限定されず、上記第５の実施形態の触覚情報提示システム１２０で触覚情報をクイック再生してもよい。なお、触覚情報をクイック再生する場合、触覚情報提示システム１２０内のコンピュータ装置１２６が、サンプリングレートをリアルタイム再生時のサンプリングレートの例えば１０倍、２０倍、４０倍等に更新して再生する。

このようなクイック再生可能な触覚情報提示システム１２０は、例えば、医療の分野で医者が患者を触診する際の道具として用いることができる。人間の体は、通常柔らかいので、触診した際、低周波成分の振動が検出される。触診時に検出されるこの低周波数成分の振動データを記録し、その振動データを上記第５の実施形態の触覚情報提示システム１２０でクイック再生すると、触診時に得た低周波成分の振動を人間の触覚でより認識し易い周波数帯域の振動に変換することができる。この場合、より高精度の触診が可能になる。

［変形例２］
上記第５の実施形態では、時間伸縮して触覚情報を再生する際の再生速度の情報を例えばキーボード等の操作入力装置により、触覚ディスプレイ１２８（触覚情報提示システム１２０）に入力する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。上記第５の実施形態の触覚ディスプレイ１２８を、例えばバットやゴルフクラブのグリップ部、ゲーム機の操作器具等に設置する場合、触覚情報提示システム１２０でそれらの器具の振る速度を検出して、その検出した速度に応じて、触覚情報の再生速度を変えるような構成にしてもよい。図１７に、その一構成例（変形例２）を示す。

図１７は、変形例２の触覚情報提示システム１５０の概略ブロック構成図である。なお、図１７において、上記第５の実施形態（図１５）と同様の構成には、同じ符号を付して示す。この例の触覚情報提示システム１５０は、例えばユーザがバットやゴルフクラブ、ゲーム機の操作器具等を振った際の速度（操作速度）を検出するセンサ１５１を備える。それ以外は、上記第５の実施形態（図１５）と同様の構成である。

センサ１５１は、例えば器具の内部または外面上に設けることができる。また、センサ１５１としては、例えばバットやゴルフクラブ、ゲーム機の操作器具等の器具の操作速度を検出することのできるセンサであれば任意のセンサを用いることができる。例えば、加速度センサ、ジャイロセンサ等、または、光学式・磁気式モーションキャプチャシステム等を用いることができる。

なお、この例の触覚情報提示システム１５０を、例えば、バットでボールを打ったときの感覚の再生、すなわち、触覚のみで体感する現象の再生に適用する場合には、映像表示装置１２３及び／又は音声再生装置１２４を備えない構成にしてもよい。

この例の触覚情報提示システム１５０では、センサ１５１で検出した器具の操作速度の情報をコンピュータ装置１２６に出力する。そして、コンピュータ装置１２６は、その情報に基づいて、コンピュータ装置１２６に記憶された触覚情報の再生速度を決定する。その後は、上記第５の実施形態と同様にして触覚情報を再生する。

これにより、この例の触覚情報提示システム１５０では、ユーザの器具の振る速度に応じてリアルタイムでユーザに与える触覚を変えることができ、よりリアルな触感を与えることができる。

上記第１〜第５の実施形態では、手のひらに触覚情報を与える例について説明したが、本発明はこれに限定されず、人間の体の一部であれば任意の部分に本発明の触覚ディスプレイは適用可能であり、同様の効果が得られる。また、制御部により調整するスピーカの駆動信号の周波数範囲は、用途に応じて適宜設定可能である。

１，２，１２２…スピーカ、３…圧力センサ、４…加速度センサ、５…筐体、１０，２０，３０，１２８…触覚ディスプレイ、１５…手持ち部、１６，１２５…制御部、１７，４１…マイクロコンピュータ（マイクロプロセッサ）、１８，１２７…アンプ回路、２５…弾性シート、４０…携帯通信端末、４２…無線ＬＡＮモジュール、７０…携帯ゲーム機、１２０…触覚情報提示システム、１２１…再生部、１２３…映像表示装置、１２４…音声再生装置、１２６…コンピュータ装置

Claims (12)

1. 人間の体の一部に接触させて触覚情報を提示する触覚情報提示装置であって、
   前記人間の体の一部に空気振動圧を与えて前記触覚情報を提示するスピーカと、
   前記スピーカを駆動する駆動信号の信号波形を調整する制御部とを備える触覚情報提示装置。
2. さらに、外力が与えられたことを検知するセンサを備え、
   前記制御部が、前記センサの検知結果に基づいて、前記駆動信号の周波数、振幅及び位相の少なくとも一つを調整することを特徴とする請求項１に記載の触覚情報提示装置。
3. 前記センサが、圧力センサであることを特徴とする請求項２に記載の触覚情報提示装置。
4. 前記センサが、加速度センサであることを特徴とする請求項２に記載の触覚情報提示装置。
5. さらに、シート状の弾性部材を備え、
   前記弾性部材が前記触覚情報提示装置の前記前記人間の体の一部と接触する部分に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の触覚情報提示装置。
6. 前記スピーカを２つ有し、２つのスピーカの振動面が互いに逆方向に向くように配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の触覚情報提示装置。
7. 前記スピーカがボイスコイル型のスピーカであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の触覚情報提示装置。
8. さらに、外部と無線通信により前記駆動信号に関する情報を送受信可能な通信部を備える請求項１〜７のいずれか一項に記載の触覚情報提示装置。
9. 前記人間の体の一部が手のひらである請求項１〜８のいずれか一項に記載の触覚情報提示装置。
10. 前記制御部が、前記触覚情報の再生速度を変化させる再生速度調整部を有する
    請求項１に記載の触覚情報提示装置。
11. 人間の体の一部に接触させて触覚情報を提示する触覚情報提示システムであって、
    前記人間の体の一部に空気振動圧を与えて前記触覚情報を提示するスピーカと、前記触覚情報の再生速度を変化させる再生速度調整部を含み且つ前記スピーカを駆動する駆動信号の信号波形を調整する制御部とを有する触覚情報提示装置と、
    前記触覚情報に対応する映像情報を前記触覚情報と同期させて表示する映像表示装置とを備える触覚情報提示システム。
12. さらに、前記触覚情報を記録する記録装置を備える請求項１１に記載の触覚情報提示システム。

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