JP6386425B2 - 力覚提示装置 - Google Patents

Description

本発明は、外力により力覚を利用者に知覚させる技術に関する。

非特許文献１には、指先に装着した装置において、指表面の皮膚に、指表面に沿ったせん断方向もしくは指表面に直交する垂直方向の外力を加えることで、人差し指と親指とで物体をつまんだときの物体重量と慣性とを力覚として提示する構成が開示されている。

また、非特許文献２には、指先にせん断方向の非対称な振動を与えることで、せん断方向に定常的な力が働いているかのような錯覚（牽引力錯覚）を生じさせる擬似力覚提示装置を提案している。

南澤孝太、川上直樹、舘ススム 「質量感覚を提示する指先装着型触覚ディスプレイ」（ハプティックインタフェース） 一般社団法人日本機械学会 ロボティクス・メカトロニクス講演会講演概要集 ２００７年：２Ｐ１−Ｎ０６（１）〜（２） 雨宮智浩、高椋慎也、伊藤翔、五味裕章 「指でつまむと引っ張られる感覚を生み出す装置「ぶるなび３」」、ＮＴＴ技術ジャーナル、２０１４年、Ｖｏｌ．２６、 Ｎｏ．９、ｐｐ．２３−２６

しかしながら、一般に外力（振動を含む）を利用する力覚提示装置は、それを小型化・軽量化・省電力化すると、その装置が出力できる外力が弱くなってしまう。このような場合、利用者に明瞭な力覚を提示するには、外力を、それが効率的に力覚を生成するような方法で、与えなければならない。

本発明の課題は、外力の力覚提示に関するエネルギー効率を高め、弱い外力でも明瞭な力覚を提示するための技術を提供することである。

本発明の力覚提示装置は、利用者に外力を加えることで力覚を提示する力覚提示装置であって、ベース部と一体に形成されて前記利用者に保持される部分に複数の突起を有した接触部と、前記力覚を提示するため、前記接触部を前記利用者の皮膚に対してせん断方向に振動させて前記接触部を介して前記利用者に与える外力を発生させるアクチュエータと、を備え、前記突起の外径は、０．５ｍｍから４ｍｍ、設置間隔は、０．５ｍｍから２ｍｍである。

この構成によると、アクチュエータが発生する外力により、接触部を介して分散された外力が利用者の皮膚に伝えられ、外力により生じた皮膚の変形により利用者に力覚が提示される。このように、利用者が保持する（つまり、触れる）部分に複数の突起を設けることで、アクチュエータが発生する外力が利用者の皮膚に生じる歪みの空間的な分布を調節し、その外力が効率よく皮膚内の力覚に関わる機械受容器群を刺激するようにすることで、平坦な接触面を利用する場合に比べて、より明瞭な力覚を提示することができる。

また、この発明に係る力覚提示装置は、上記力覚提示装置において、前記接触部が非変形材であるようにしてもよい。
このように構成することで、利用者の皮膚に対し、突起を介してアクチュエータで発生する外力を効率よく伝達することができる。

また、この発明に係る力覚提示装置は、上記力覚提示装置において、前記接触部は、複数の前記突起が前記利用者に接触する部分の合計面積が、前記利用者に接触する部分以外の合計面積の４倍以下であるようにしてもよい。
このように、複数の突起が利用者に接触する部分の合計面積を抑えることで、皮膚内に十分な応力集中を生じ、弱い外力でも皮膚内の機械受容器を刺激することが期待できる。

また、この発明に係る力覚提示装置は、上記力覚提示装置において、前記アクチュエータが、定められた前記方向への外力と、定められた前記方向と反対方向への外力とを、交互に非対称に生じさせるようにしてもよい。
このように構成することで、所望の方向に定常的に力が加わっているかのような擬似的な力覚を提示できる。

また、この発明に係る力覚提示装置は、上記力覚提示装置において、複数の前記突起は、定められた前記方向に沿って間隔を空けて配列されているようにしてもよい。
このように、アクチュエータにより発生される外力の方向に沿って配列された複数の突起により、アクチュエータによる外力を確実に利用者が認識することができる。

また、この発明に係る力覚提示装置は、上記力覚提示装置において、複数の前記突起は、定められた前記方向の一方の側に傾斜した第一傾斜突起と、当該方向の他方の側に傾斜した第二傾斜突起と、を備えるようにしてもよい。
このように構成することで、前記接触部と皮膚面との間の滑りを緩和し、確実に装置の外力を利用者に伝達することができる。

また、この発明に係る力覚提示装置は、上記力覚提示装置において、複数の前記突起の外径、設置間隔、高さが、それぞれ５ｍｍ以下の範囲となるよう設けられているようにしてもよい。
このように突起の外径や間隔を構成することで、突起の外径や間隔が大きい場合には突起の当たり方の違いによる力覚の不連続な変化を防止することができる。さらに、このように突起の高さを構成することにより、突起の変形を防ぎ、突起の変形による力覚伝達ロスを防止することができる。
さらに、この発明に係る力覚提示装置は、利用者に外力を加えることで力覚を提示する力覚提示装置であって、前記利用者に保持される部分に複数の突起を有した接触部と、前記力覚を提示するため、前記接触部を介して前記利用者に与える外力を発生させるアクチュエータと、を備え、複数の前記突起は、定められた方向の一方の側に傾斜した第一傾斜突起と、当該方向の他方の側に傾斜した第二傾斜突起と、を備えるようにしてもよい。

この発明に係る力覚提示装置によれば、アクチュエータで発生する外力の力覚提示に関するエネルギー効率を高め、弱い外力でも明瞭な力覚を提示することが可能となる。

この発明の一実施形態に係る力覚提示装置の全体構成を示す模式図である。 上記力覚提示装置の第一実施形態におけるアクチュエータの構成を示す図であり、アクチュエータで一方向の力を発生させる状態を示す概略図である。 上記アクチュエータで、図２とは反対方向の力を発生させる状態を示す概略図である。 上記力覚提示装置の第一実施形態における、複数の突起を備えた接触部の構成を示す斜視図である。 上記力覚提示装置の第二実施形態における、複数の突起を備えた接触部の構成を示す斜視図である。 上記力覚提示装置の第三実施形態における、複数の突起を備えた接触部の構成を示す斜視図である。 上記第一〜第三実施形態におけるアクチュエータの変形例の構成を示す図である。 上記第一〜第三実施形態におけるアクチュエータの他の変形例の構成を示す図である。 上記力覚提示装置の実施例において、突起の設置間隔および外径と、提示した力覚の方向に対する正答率と、の関係性を示す図である。 上記力覚提示装置の実施例において、接触部を保持した把持力と、提示した力覚の方向に対する正答率と、の関係性を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明による力覚提示装置を実施するための形態を説明する。しかし、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。

（第１実施形態）
図１は、この発明の一実施形態に係る力覚提示装置の全体構成を示す模式図である。図２は、上記力覚提示装置の第一実施形態におけるアクチュエータの構成を示す図であり、アクチュエータで一方向の力を発生させる状態を示す概略図である。図３は、上記アクチュエータで、図２とは反対方向の力を発生させる状態を示す概略図である。図４は、上記力覚提示装置の第一実施形態における、複数の突起を備えた接触部の構成を示す斜視図である。
図１に示すように、力覚提示装置１は、例えば、制御信号出力部１１と、信号増幅回路１２と、アクチュエータ１３と、接触部１５と、を有する。

制御信号出力部１１は、例えば、ＣＰＵ（central processing unit）等のプロセッサ（ハードウェア・プロセッサ）やＲＡＭ（random-access memory）等のメモリ等を備えたハードウェアが、予め設定されたコンピュータプログラムに基づいて動作を行うことで実現される。この制御信号出力部１１は、マイクロコンピュータ（マイコン）やパーソナルコンピュータ、その他の各種デバイスの制御回路の一部あるいは全部として実現される。

制御信号出力部１１には、どのような力覚を提示するのかを指定するための情報（指定情報）が予め設定される。指定情報の例は、力覚の提示方向（例：せん断方向の中のいずれか）を特定する情報、力覚の強さを特定する情報などである。制御信号出力部１１は、設定された指定情報が特定する力覚を提示させるための駆動制御信号Ｓ１を生成する。制御信号出力部１１は、生成した駆動制御信号Ｓ１と、信号増幅回路１２における増幅率を制御する増幅率制御信号Ｓ２と、を信号増幅回路１２に出力する。

信号増幅回路１２は、制御信号出力部１１から受け取った駆動制御信号Ｓ１を増幅し、アクチュエータ１３に入力する電流を生成して出力するアンプ回路等である。信号増幅回路１２は、制御信号出力部１１から入力された増幅率制御信号Ｓ２により、デジタルポテンショ素子等の機能に基づき、その増幅率を変更する機能を有する場合がある。

アクチュエータ１３は、制御信号出力部１１から信号増幅回路１２を経て入力された制御信号Ｓ３に基づき利用者に与える外力（例：せん断方向）を生成する。
なお、アクチュエータ１３は、制御信号Ｓ３を、所定の機械的な運動に変換し、接触部１５に触れた利用者の指等に機械的な変形を生じうるあらゆるタイプのものを含む。このアクチュエータ１３は制御信号Ｓ３を回転運動に変換する場合もあれば、直動運動に変換する場合もある。

この図２に示すように、アクチュエータ１３は、ケース１３１と、支持部１３２と、永久磁石１３３と、バネ１３４Ａ，１３４Ｂと、コイル１３５Ａ，１３５Ｂと、を備える。

ケース１３１は、例えば、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル (Acrylonitrile)、ブタジエン (Butadiene)、スチレン (Styrene)共重合合成樹脂）等の合成樹脂製で、断面形状が円形や多角形状で、両端部が閉塞された中空筒状をなしている。このケース１３１内に、支持部１３２と、永久磁石１３３と、バネ１３４Ａ，１３４Ｂと、コイル１３５Ａ，１３５Ｂと、が収容されている。

支持部１３２は、例えば、ＡＢＳ樹脂等の合成樹脂製で、断面形状が円形や多角形状で、両端部が閉塞された中空筒状をなしている。この支持部１３２は、ケース１３１内に収容できるよう、ケース１３１よりも小さく形成されている。支持部１３２は、その長手方向がケース１３１の長手方向Ｌに沿うよう配置され、ケース１３１の内部に固定されている。

永久磁石１３３は、例えば、円柱形状をなし、長手方向の一方の端部１３３ａ側がＮ極であり、他方の端部１３３ｂ側がＳ極である。永久磁石１３３は、その長手方向がケース１３１の長手方向Ｌに沿うよう配置され、支持部１３２の内部に収容されている。永久磁石１３３は、ケース１３１内で、長手方向Ｌにスライド可能に支持されている。このような支持機構の詳細は図示しないが、例えば、支持部１３２の内壁面に長手方向Ｌに沿ったまっすぐなレールが設けられ、永久磁石１３３の側面にこのレールをスライド可能に支持するレール支持部が設けられている。

バネ１３４Ａ，１３４Ｂは、例えば、金属等から構成されるつるまきばねや板ばね等である。バネ１３４Ａ，１３４Ｂのばね定数は同一であることが望ましいが、互いに相違していてもよい。
一方のバネ１３４Ａは、一端が支持部１３２の長手方向の一端側の内壁面１３２ａに支持され、他端が永久磁石１３３の端部１３３ａに固定されている。また、他方のバネ１３４Ｂは、一端が支持部１３２の長手方向の他端側の内壁面１３２ｂに支持され、他端が永久磁石１３３の端部１３３ｂに固定されている。

コイル１３５Ａ，１３５Ｂは、例えば、一つながりのエナメル線であり、第１巻線部１３５ｐと第２巻線部１３５ｑとを有する。コイル１３５Ａ，１３５Ｂは、支持部１３２の外周側に巻きつけられている。ただし、第１巻線部１３５ｐは、永久磁石１３３の端部１３３ａ側（Ｎ極側）に配され、Ａ１方向（奥から手前に向けた方向）に巻きつけられている。第２巻線部１３５ｑは、永久磁石１３３の端部１３３ｂ側（Ｓ極側）に配され、Ａ１方向と反対向きのＢ１方向（手前から奥に向けた方向）に巻き付けられている。すなわち、永久磁石１３３の端部１３３ａ側（Ｎ極側）からみた場合、第１巻線部１３５ｐは時計回りに巻き付けられており、第２巻線部１３５ｑは反時計回りに巻き付けられている。また、永久磁石１３３が停止し、バネ１３４Ａ，１３４Ｂからの弾性力が釣り合った状態において、永久磁石１３３の端部１３３ａ側（Ｎ極側）が第１巻線部１３５ｐの領域に配置され、端部１３３ｂ側（Ｓ極側）が第２巻線部１３５ｑの領域に配置されることが望ましい。

このようなアクチュエータ１３において、コイル１３５Ａ，１３５Ｂは、流された電流に応じた加速度（力）を永久磁石１３３に与え、これにより、永久磁石１３３は、支持部１３２に対して周期的な加速度運動（支持部１３２を基準とした軸方向に偏加速度をもった周期的な並進往復運動）を行う。
すなわち、図２に示すように、コイル１３５Ａ，１３５ＢにＡ１、Ｂ１方向に電流を流すと、フレミングの左手の法則で説明されるローレンツ力の反作用により、永久磁石１３３にＣ１方向（永久磁石１３３のＮ極からＳ極に向かう方向：右方向）の力が加えられる。
図３に示すように、逆に、コイル１３５Ａ，１３５ＢにＡ２、Ｂ２方向に電流を流すと、永久磁石１３３にＣ２方向（永久磁石１３３のＳ極からＮ極に向かう方向：左方向）の力が加えられる。ただし、Ａ２方向はＡ１方向の反対方向である。
これらの動作により、永久磁石１３３およびバネ１３４Ａ，１３４Ｂからなる系に運動エネルギーが与えられる。それにより、ケース１３１を基準とする永久磁石１３３の位置および加速度（支持部１３２を基準とした軸方向の位置および加速度）を変化させることができる。

ここで、永久磁石１３３に所望の方向（Ｃ１方向またはＣ２方向）の加速度を与える向きの電流をコイル１３５Ａ，１３５Ｂに流す第１の期間と、それ以外の第２の期間と、を周期的に繰り返す。その際、所定の方向に電流を流す期間（時間）とそれ以外の期間（時間）との比（反転比）を何れか一方の期間に偏らせる。言い換えると、１つの周期に占める第１の期間の割合が当該周期に占める第２の期間の割合と異なる周期的な電流をコイル１３５Ａ，１３５Ｂに流す。これにより、所望の方向に擬似的な力覚を提示できる。なお、「疑似的な力覚」とは、実際には物体（力覚提示装置１）が並進運動をしていないにも関わらず、あたかも並進方向へ動きそうな力が働いているような知覚が生成されることをいう。

このようにして電流をコイル１３５Ａ，１３５Ｂに流すと、永久磁石１３３およびバネ１３４Ａ，１３４Ｂからなる系は、擬似力覚を提示したい方向（例：せん断方向の中の、いずれか１つの方向）へ大きな加速度で短時間の間に移動し、逆の方向へは小さな加速度で長時間をかけて移動する、このようにして、偏加速度をもった周期運動をする。これにより、利用者は、アクチュエータ１３を把持することで、この提示方向への擬似力覚を知覚する。

図１に示すように、接触部１５は、アクチュエータ１３のケース１３１の長手方向Ｌに延びる両側の側面１３１ｆに固定されている。図４に示すように、接触部１５は、板状でアクチュエータ１３のケース１３１に固定されたベース部１６と、ベース部１６でケース１３１側と反対側の表面１６ｆに設けられた突起アレイ部１７Ａと、を一体に備えている。

ベース部１６は、例えば平面視長方形状で、ケース１３１の長手方向Ｌに長軸を有している。ベース部１６の外周部１６ｓは、Ｒ加工または面取加工がなされているのが好ましい。

突起アレイ部１７Ａは、ベース部１６の表面１６ｆに沿って配列された複数の突起２１からなる。この実施形態において、突起２１は、例えば円柱状をなし、ベース部１６の表面１６ｆに直交して表面１６ｆから離間する方向に延びて形成されている。なお、個々の突起２１を点状に形成する場合に比較し、突起２１を円柱状に構成すると、突起２１の剛性を高めることができる。
複数の突起２１は、ベース部１６の表面１６ｆ上において、長手方向Ｌと、長手方向Ｌに直交する短手方向Ｓとに沿って、それぞれ所定間隔を隔てて格子状に配列されている。

ここで突起２１の外径Ｄ、長手方向Ｌに沿った設置間隔ＣＬ、短手方向Ｓに沿った設置間隔ＣＳ、高さＨは、例えば、それぞれ、５．０ｍｍ以内の範囲で設定するのが好ましい。
また、突起アレイ部１７Ａを構成する複数の突起２１の先端面２１ｆの合計面積（すなわち、利用者の皮膚と接触し得る面積）は、突起アレイ部１７Ａにおいて先端面２１ｆ以外の部分の合計面積の４倍以下とするのが好ましい。

また、複数の突起２１は、その長手方向Ｌと短手方向Ｓとで、突起２１の外径Ｄや設置間隔ＣＬ、ＣＳを互いに異ならせ、異方性を付与することもできる。
さらに、複数の突起２１の高さＨや先端面２１ｆの傾きは、接触部１５に接触する指などの身体部位の形状に沿うように、適宜異ならせるようにしてもよい。
また、突起アレイ部１７Ａにおける複数の突起２１の配列は、格子状配列に限らず、六方格子状や、千鳥状等としてもよい。

このような接触部１５は、利用者に対し、アクチュエータ１３で発生する所定の提示方向への擬似力覚を知覚させる。これには、図１に示すように、接触部１５に対し、利用者は、指Ｆ等の接触身体部位を、複数の突起２１からなる突起アレイ部１７Ａを構成する複数の突起２１の先端面２１ｆに押し当てる。このとき、利用者は、アクチュエータ１３を複数本の指Ｆで挟み、そのうちの少なくとも一本を接触部１５に押し当てても良い。

ここで、接触部１５は、利用者が触れたときに、突起アレイ部１７Ａを構成する複数の突起２１が変形しないよう、ＡＢＳ樹脂やアクリル樹脂等、剛性が高い材料（例えばヤング率１．０ＧＰａ以上）で非変形材として形成するのが好ましい。
なお、アクチュエータ１３で発生した外力を、接触部１５を介して効率よく接触身体部位に伝えるには、アクチュエータ１３から接触部１５までの外力の伝達経路が非変形材であることが望ましい。具体的には、アクチュエータ１３のケース１３１自体も非変形材とし、ケース１３１と接触部１５とが一体的に動作するように固定する（変形材は使わない）。

上述したような力覚提示装置１によれば、利用者が把持する部分に複数の突起２１を設けることで、利用者の皮膚に対し、アクチュエータ１３で発生する外力を、突起２１を介して分散させて与えることで、効率よく伝達することができる。
しかも、突起２１は非変形材であるため、アクチュエータ１３で発生する外力が突起２１を介して皮膚に伝えられるときに、利用者に接触する突起２１を含む接触部１５が変形しない。したがって、利用者の皮膚に対し、突起２１を介してアクチュエータ１３で発生する外力を効率よく伝達することができる。このようにして、利用者の皮膚内の機械受容器への力伝達を効率化することができる。

さらに、接触部１５は、複数の突起２１が利用者に接触する部分の合計面積が、利用者に接触する部分以外の合計面積の４倍以下である。このように、複数の突起２１が利用者に接触する部分の合計面積を抑えることで、利用者の皮膚内に十分な応力集中を生じ、弱い外力でも皮膚内の機械受容器を刺激することが期待できる。

しかも、アクチュエータ１３による外力方向に沿って配列された複数の突起２１により、身体の接触部位に各突起が接触する部分を介して外力が伝えられるため、アクチュエータ１３による外力の方向を確実に認識することができる。
また、複数の突起２１の外径Ｄ、設置間隔ＣＬ、ＣＳ、高さＨが、それぞれ５ｍｍ以下の範囲となるよう設けられている。突起２１の外径Ｄや設置間隔ＣＬ、ＣＳが大きいと、突起２１の当たり方によって、力覚が不連続に変化してしまう可能性があるが、このように突起２１の外径Ｄを抑え、突起２１の設置間隔ＣＬ、ＣＳを小さくすることで、利用者が指Ｆなどで突起２１に触れるときに、触る位置の変化により接触状態が大きく変化することを避け、提示する力覚を安定させることができる。また、突起２１は高くなるほど、変形しやすいため、突起２１の高さＨを抑えることで、突起２１の剛性が高まる。これらにより、アクチュエータ１３で発生する外力を確実に知覚することができる。

このように、皮膚変形に基づいて力覚を提示する力覚提示装置１は、皮膚表面に外力（例：せん断方向の外力）を与えることで、皮膚内部の機械受容器群もしくはその周囲の組織に歪みを生じ、その受容器群の反応を生じることで力覚（例：せん断方向の力覚）を提示することができる。力覚に関わる機械受容器には複数の種類があるが、それぞれ皮膚内部の固有の位置(深さや乳頭などの内部構造との相対位置)に存在するため、力覚提示装置１の生ずる力を効率的に皮膚内部の該当する位置へと伝達することで、弱い出力でも明瞭な力覚を提示することが可能となる（なお、皮膚の表面で物体が動くことによる触覚提示技術と、皮膚に外力を与えることによる皮膚変形に基づく力覚提示技術では、作用する機械受容器が異なる。そのため、機械受容器に効率よく刺激を伝えるための皮膚への外力の与え方も異なる。）。力覚提示装置１が皮膚内部に生ずる歪みの空間分布は、同じ合力の外力を皮膚に与える場合でも、その外力をどのように分散させて皮膚表面に与えるかに依存して変化する。そこで、上述したように、力覚提示装置１の接触部１５に複数の突起２１を設けることで、力覚提示装置１が皮膚表面に与える外力の空間分布を調節し、力覚提示装置１の生ずる力の皮膚の所定の位置への伝達効率を改善して性能向上を図ることができる。また、接触部が突起部を有さない場合、力覚提示装置１による外力により身体の接触部位には、接触している部位全体に小さな歪みが分布する。一方、接触部が突起部を有する場合、身体の接触部位には、突起により局所的に大きな歪みが生じる。このため、突起部を有する方が、弱い外力であっても受容器が反応しやすくなると期待できる。
このようにして、接触部１５に複数の突起２１を備えることによって、アクチュエータ１３で発生する外力による突起２１を介した皮膚の変形を確実に知覚することができる。その結果、アクチュエータ１３で発生する外力を利用者に効率よく伝達し、力覚をより確実に提示することが可能となる。したがって、弱い外力でも、明瞭な力覚を提示できる力覚提示装置１を提供することが可能となる。そのため、力覚提示装置１の小型化・軽量化・低消費電力化に貢献し、力覚提示装置１を、スマートフォン等をはじめとする各種の小型のモバイル端末に効果的に実装することが可能となる。

さらにまた、アクチュエータ１３は、定められた方向への外力と、定められた方向と反対方向への外力とを、交互に非対称に生じさせることで、所望の方向に提示した擬似的な力覚を、より明確に知覚することが可能となる。

なお、アクチュエータ１３により発生する外力の方向は、せん断方向に限定されるものではなく、皮膚の表面に対して垂直の方向であってもよいし、これらの方向和であらわされる方向であってもよい。

（第１実施形態の変形例）
接触部１５の突起アレイ部１７Ａを構成する突起２１は、円柱状に限らない。例えば、突起２１を、楕円柱状、角柱状、円錐台形状、角錐台形状、半球状等、適宜他の形状とすることもできる。

（第２実施形態）
次に、本発明にかかる力覚提示装置の第２実施形態について説明する。なお、以下に説明する第２実施形態においては、第１実施形態と接触部１５の構成のみが異なり、力覚提示装置１の全体構成は上記第１実施形態と共通する。したがって、以下の説明においては、第１実施形態と同一部分に同一符号を付し、重複説明を省略する。
図５は、上記力覚提示装置の第二実施形態における、複数の突起を備えた接触部の構成を示す斜視図である。
図５に示すように、力覚提示装置１の接触部１５は、板状でアクチュエータ１３の側面１３ａに固定されたベース部１６と、ベース部１６の表面１６ｆに形成された突起アレイ部１７Ｂと、を備える。

この実施形態において、突起アレイ部１７Ｂは、短手方向Ｓに連続する長い壁状の突起２２が、長手方向Ｌに沿って間隔を空けて複数形成されている。

この場合においても、突起２２の長手方向Ｌの厚さＴ、長手方向Ｌに沿った間隔ＣＬ、高さＨは、例えば、それぞれ、５．０ｍｍ以内の範囲で設定するのが好ましい。

また、突起アレイ部１７Ｂを構成する複数の突起２２の先端面２２ｆの合計面積（すなわち、利用者の皮膚と接触し得る面積）は、突起アレイ部１７Ｂにおいて複数の突起２２の先端面２２ｆ以外の部分の合計面積の４倍以下とするのが好ましい。

また、複数の突起２２は、指等、接触部１５に接触身体部位の形状に沿うように、その高さＨや先端面２２ｆの傾き等を適宜異ならせるようにしてもよい。

上述したような力覚提示装置によれば、上記第１実施形態と同様、接触部１５に複数の突起２２を備えることによって、アクチュエータ１３で発生する外力による突起２２を介した皮膚の変形を確実に知覚することができる。その結果、アクチュエータ１３で発生する外力を利用者に効率よく伝達し、力覚をより確実に提示することが可能となる。

さらに、複数の突起２２のそれぞれは、アクチュエータ１３で発生する変位の方向に直交する短手方向Ｓに連続して形成されている。このように構成することで、第１実施形態のように柱状の突起２１とした場合に比較し、個々の突起２２の剛性を高めることができる。したがって、アクチュエータ１３で発生する変位を確実に知覚することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明にかかる力覚提示装置の第３実施形態について説明する。なお、以下に説明する第３実施形態においては、第１実施形態と接触部１５の構成のみが異なり、力覚提示装置１の全体構成は上記第１実施形態と共通する。したがって、以下の説明においては、第１実施形態と同一部分に同一符号を付し、重複説明を省略する。
図６は、上記力覚提示装置の第三実施形態における、複数の突起を備えた接触部の構成を示す斜視図である。
図６に示すように、力覚提示装置１の接触部１５は、板状でアクチュエータ１３の側面１３ａに固定されたベース部１６と、ベース部１６の表面１６ｆに形成された突起アレイ部１７Ｃと、を備える。

この実施形態において、突起アレイ部１７Ｃは、複数の円柱状の第一傾斜突起２３、第二傾斜突起２４を備えている。

第一傾斜突起２３は、ベース部１６の表面１６ｆ側から、長手方向Ｌの一方の側に向かって傾斜するよう設けられている。このような第一傾斜突起２３は、ベース部１６上において、長手方向Ｌに沿って間隔を空けて複数本が配列されている。
また、第二傾斜突起２４は、ベース部１６の表面１６ｆ側から、長手方向Ｌの他方の側に向かって傾斜するよう設けられている。
ここで、第一傾斜突起２３、第二傾斜突起２４の先端面２３ｆ、２４ｆは、ベース部１６の表面１６ｆと平行となるように形成されている。

このような第一傾斜突起２３、第二傾斜突起２４は、それぞれ、ベース部１６上において、長手方向Ｌに沿って間隔を空けて複数本が配列されている。また、ベース部１６上において、短手方向Ｓにおいては、複数本の第一傾斜突起２３の長手方向Ｌに沿った列と、複数本の第二傾斜突起２４の長手方向Ｌに沿った列とが、交互に配置されている。
このようにして、突起アレイ部１７Ｃは、長手方向Ｌの一方の側に傾斜した複数の第一傾斜突起２３と、他方の側に傾斜した複数の第二傾斜突起２４とが、短手方向Ｓにおいて交互に配列されている。

この場合においても、第一傾斜突起２３、第二傾斜突起２４の直径Ｄ、長手方向Ｌおよび短手方向Ｓに沿った間隔ＣＬ、ＣＳ、高さＨは、例えば、それぞれ、５．０ｍｍ以内の範囲で設定するのが好ましい。

また、突起アレイ部１７Ｃを構成する複数の第一傾斜突起２３、第二傾斜突起２４の先端面２３ｆ、２４ｆの合計面積（すなわち、利用者の皮膚と接触し得る面積）は、突起アレイ部１７Ｃにおいて複数の第一傾斜突起２３、第二傾斜突起２４の先端面２３ｆ、２４ｆ以外の部分の合計面積の４倍以下とするのが好ましい。

また、複数の第一傾斜突起２３、第二傾斜突起２４の高さＨや、先端面２３ｆ、２４ｆの傾きは、指等、接触部１５に接触身体部位の形状に沿うように、適宜異ならせるようにしてもよい。

上述したような力覚提示装置１によれば、上記第１実施形態と同様、接触部１５に複数の第一傾斜突起２３、第二傾斜突起２４を備えることによって、アクチュエータ１３で発生する変位を確実に知覚することができる。その結果、アクチュエータ１３で発生する外力を利用者に効率よく伝達し、力覚をより確実に提示することが可能となる。

また、接触部１５は、アクチュエータ１３で発生する変位に沿った方向の一方の側に傾斜した第一傾斜突起２３と、アクチュエータ１３で発生する変位に沿った方向の他方の側に傾斜した第二傾斜突起２４と、を備えている。このように構成することで、アクチュエータ１３で第一傾斜突起２３の傾斜方向に沿った変位を発生する場合、アクチュエータ１３による変位を第一傾斜突起２３により確実に知覚することができる。また、アクチュエータ１３で第二傾斜突起２４の傾斜方向に沿った変位を発生する場合、アクチュエータ１３による変位を第二傾斜突起２４により確実に知覚することができる。したがって、アクチュエータ１３で、互いに対向する二方向への変位を発生させても、それぞれの変位を確実に知覚することができる。

（その他の実施形態）
なお、本発明の力覚提示装置は、図面を参照して説明した上述の各実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。

図７は、上記第一〜第三実施形態におけるアクチュエータの変形例の構成を示す図である。
上記実施形態で示したアクチュエータ１３において、図７に示すように、永久磁石１３３の端部１３３ａ側（Ｎ極側）または端部１３３ｂ側（Ｓ極側）のみにコイル１３５Ａまたは１３５Ｂのいずれか一方が巻き付けられていてもよい。

図８は、上記第一〜第三実施形態におけるアクチュエータの他の変形例の構成を示す図である。
この図８に示すように、上記実施形態で示したアクチュエータ１３におけるコイル１３５Ａ，１３５Ｂに代えて、支持部１３２の外周側の端部１３３ａ側（Ｎ極側）にＡ１方向に巻きつけられた第１巻線部１３５ｐ’側のコイルと、支持部１３２の外周側の端部１３３ｂ側（Ｓ極側）にＢ１方向（Ａ１方向と反対向き）に巻き付けられた第２巻線部１３５ｑ’側のコイルとが別々のものが用いられてもよい。すなわち、第１巻線部１３５ｐ’側のコイルと第２巻線部１３５ｑ’側のコイルとが電気的に接続されておらず、互いに異なる電気信号を与えることができる構成であってもよい。

また、例えば、アクチュエータ１３は、力覚を適切に表示できるのであれば、上記実施形態で示した構成に限らず、適宜他の構成とすることができる。上記の実施形態では、アクチュエータ１３として、直動アクチュエータを利用して擬似力覚を提示する構成を示したが、回転アクチュエータを利用することもでき、擬似的な力覚の提示だけでなく、実際に提示したい外力を、利用者に直接与えるようなアクチュエータを利用することもできる。 また、力覚提示装置１は、床面や机上などに接地させ利用する固定型である場合もあれば、持ち歩きが可能な可搬性を有する場合もある。可搬性を有する力覚提示装置１は、腕時計等の常時身体に密着させる情報処理端末や、スマートフォン等の携帯端末の一機能として実装されることもある．いずれの場合も、皮膚の受容器の密度の高さや分解能の高さから、指先に接触して使用することが望ましいが、外力を加える皮膚の部位は手首や顔の額など、他の身体部位であってもよい。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。

上記第１実施形態で示した構成について、実際に提示した力覚が知覚される度合いの違いを調べたので、以下にその結果を示す。
力覚提示装置としては、図１に示したような構成のものを用いた。接触部の突起アレイ部としては、先端面が平坦で、高さ２ｍｍの円柱状の突起を、格子状に配列したものと用いた。
ここで、突起の外径は、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍ、４．０ｍｍの４通り、突起同士の長手方向および短手方向の設置間隔は、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍの３通りとし、合計４×３＝１２通りの条件の突起トレイ部を用いた。
また、突起を設けず、接触部を平坦面としたものを比較例とした。

上記それぞれの条件の突起トレイ部を有した接触部をアクチュエータの側面に固定し、所定の提示方向への擬似力覚を生じさせるよう、アクチュエータを駆動した。
被験者８名について、突起トレイ部を備えた１２通りの接触部、および突起トレイ部を備えず平坦面とした接触部（比較例）のそれぞれについて、接触部を備えたアクチュエータを、人差し指と親指とで挟んで摘まんで保持したとき、アクチュエータで付与した疑似力覚の提示方向を正しく知覚できたか否かを確認した。

図９は、上記力覚提示装置の実施例において、突起の設置間隔および外径と、提示した力覚の方向に対する正答率と、の関係性を示す図である。
その結果、図９に示すように、突起アレイ部を構成する突起の直径、間隔に関わらず、平坦な接触面を有する比較例に比較し、アクチュエータで付与した疑似力覚の提示方向を正しく知覚できる正答率が高いことが確認できた。
特に、突起の外径Ｄを０．５ｍｍ、突起の設置間隔を２．０ｍｍとした場合、平坦な接触面の比較例に比べ、平均して１５％以上、正答率が高い。

さらに、突起の外径Ｄを０．５ｍｍ、突起の設置間隔を２．０ｍｍとした条件の接触部にいて、この接触部を備えたアクチュエータを、人差し指と親指とで挟み込む力（接触圧）を、０．４、２．０、４．０［Ｎ］の３通りに変化させた。これら３通りの接触部と、突起トレイ部を備えない平坦面の接触部とについて、所定の提示方向への擬似力覚を生じさせるよう、アクチュエータを駆動した。

この場合も、被験者８名について、それぞれの条件について、アクチュエータで付与した疑似力覚の提示方向を正しく知覚できたか否かを確認した。

図１０は、上記力覚提示装置の実施例において、接触部を保持した把持力と、提示した力覚の方向に対する正答率と、の関係性を示す図である。
その結果、図１０に示すように、複数の突起からなる突起アレイ部を備えた接触部（実施例）においては、いずれの接触圧においても、突起トレイ部を備えない平坦面の接触部（比較例）よりも、高い正答率を示している。
したがって、突起トレイ部を接触部に備えることで、所望の方向の力覚を、より確実に、利用者に提示することができる。

１ 力覚提示装置
１２ 信号増幅回路
１３ アクチュエータ
１５ 接触部
２１ 突起
２２ 突起
２３ 第一傾斜突起
２４ 第二傾斜突起

Claims (8)

1. 利用者に外力を加えることで力覚を提示する力覚提示装置であって、
   ベース部と一体に形成されて前記利用者に保持される部分に複数の突起を有した接触部と、
   前記力覚を提示するため、前記接触部を前記利用者の皮膚に対してせん断方向に振動させて前記接触部を介して前記利用者に与える外力を発生させるアクチュエータと、
   を備え、
   前記突起の外径は、０．５ｍｍから４ｍｍ、設置間隔は、０．５ｍｍから２ｍｍであることを特徴とする力覚提示装置。
2. 前記接触部が非変形材である請求項１に記載の力覚提示装置。
3. 前記接触部は、複数の前記突起が前記利用者に接触する部分の合計面積が、前記利用者に接触する部分以外の合計面積の４倍以下である、請求項１または２に記載の力覚提示装置。
4. 前記アクチュエータは、定められた方向への外力と、前記定められた方向と反対方向への外力とを、交互に非対称に生じさせる、請求項１から３のいずれか一項に記載の力覚提示装置。
5. 複数の前記突起は、定められた方向に沿って間隔を空けて配列されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の力覚提示装置。
6. 複数の前記突起は、定められた方向の一方の側に傾斜した第一傾斜突起と、当該方向の他方の側に傾斜した第二傾斜突起と、を備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の力覚提示装置。
7. 複数の前記突起の外径、設置間隔、高さが、それぞれ５ｍｍ以下の範囲となるよう設けられている、請求項１から６のいずれか一項に記載の力覚提示装置。
8. 利用者に外力を加えることで力覚を提示する力覚提示装置であって、
   前記利用者に保持される部分に複数の突起を有した接触部と、
   前記力覚を提示するため、前記接触部を介して前記利用者に与える外力を発生させるアクチュエータと、
   を備え、
   複数の前記突起は、定められた方向の一方の側に傾斜した第一傾斜突起と、当該方向の他方の側に傾斜した第二傾斜突起と、を備える力覚提示装置。

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