JP6567087B2 - 触覚再現装置 - Google Patents

Description

本発明は、入力装置に設けられた操作体を指で掴んだときに、仮想の被接触物体に指を触れたのを模した軟質度や硬質度さらには動きや温度を感じることができる触覚再現装置に関する。

特許文献１に仮想空間表示装置に関する発明が記載されている。
この仮想空間表示装置は、端末通信部とサーバーとで通信可能とされており、端末通信部に液晶ディスプレイと入力部とを含むタッチパネルが装備されている。

サーバーからの通信により、タッチパネルの液晶ディスプレイにショッピングモールの画像が表示される。ユーザがタッチパネルをドラッグすると、表示されているショッピングモール内の情景を移動させることができ、ショッピングモールの画面内の商品サムネイルをユーザがタップすると、商品の詳細情報が画面に表示される。ユーザは、購入する予定の商品をストックエリアに一時的に集めておくことができ、ストック商品について決済処理を行うことで、商品を購入できるようになっている。

特開２０１２−２３４３５５号公報

特許文献１に記載された仮想空間表示装置では、ショッピングモールのストアに表示されている商品の価格や色を確かめ、さらに商品の詳細情報を参酌して購入しようとする商品を探すことができる。

しかし、実際に商品に触れることができないので、その商品の大きさや質感などを手で感じることはできない。また、商品が変形するものや動くものである場合に、その変形や動きにどの程度の力を要するのかを手で感じることも不可能である。さらには、商品の軟質感や動きを感じることができず、温度も感じることはできない。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、入力装置に対して指で複数方向への操作力を与えることで、所定の被接触物体を手で操作したときの軟質感や硬質感などを模した反力を機械的に生成することができ、さらに物体の動きや温度などの感触も得ることができる触覚再現装置を提供することを目的としている。

第１の本発明の触覚再現装置は、入力装置と制御部とを有し、
前記入力装置には、進退移動し指で押圧可能な操作体と、前記操作体の移動位置を検知する第１の検知部と、前記操作体に進退方向の力を与える進退駆動部と、前記操作体に設けられて前記操作体に触れた指の前記進退移動方向と交差する方向への移動を検知する第２の検知部とが設けられ、
前記制御部では、前記第１の検知部からの検知情報に基づいて前記進退駆動部を駆動し前記操作体から指に力を与える第１の反力付与制御と、前記第２の検知部からの検知情報に基づいて前記進退駆動部を駆動し前記操作体から指に力を与える第２の反力付与制御とが行われることを特徴とするものである。

第２の本発明の触覚再現装置は、入力装置と制御部とを有し、
前記入力装置には、進退移動し指で押圧可能な操作体と、前記操作体の移動位置を検知する第１の検知部と、前記操作体に進退方向の力を与える進退駆動部と、前記操作体に設けられて前記操作体に触れた指に感触を与える感触発生部と、前記操作体に設けられて前記操作体に触れた指の前記進退移動方向と交差する方向への移動を検知する第２の検知部とが設けられ、
前記制御部では、前記第１の検知部からの検知情報に基づいて前記進退駆動部を駆動し前記操作体から指に力を与える反力付与制御と、前記第２の検知部からの検知情報に基づいて前記感触発生部を動作させて指に感触を与える感触付与制御とが行われることを特徴とするものである。

第２の本発明の触覚再現装置では、前記感触発生部が振動発生部である。この場合に、前記振動発生部で発生する振動の周波数は、前記進退駆動部で操作体に与えることができる往復運動の周波数よりも高いものとなる。

第２の本発明の触覚再現装置では、前記感触発生部が熱可変素子であってもよいし、さらに前記感触発生部として振動発生部と熱可変素子の双方を設けてもよい。

本発明の触覚再現装置は、前記操作体が複数設けられているものとして構成できる。
例えば、前記入力装置には、親指で押圧操作される親指操作体と、人差し指と中指で個別に押圧操作される第１の対向操作体ならびに第２の対向操作体とが設けられており、
前記親指操作体の突出方向に対して、第１の対向操作体と第２の対向操作体が逆向きに突出しているものである。

本発明の触覚再現装置は、前記制御部に被接触物体に関する情報が保持されており、前記情報に基づいて、指で前記被接触物体に接触するのを模した前記反力付与制御が行われる。

または、本発明の触覚再現装置は、前記制御部に被接触物体に関する情報が保持されており、前記情報に基づいて、指で前記被接触物体に接触するのを模した前記反力付与制御と前記感触付与制御が行われる。

本発明の触覚再現装置は、表示装置が設けられており、
前記制御部によって、前記表示装置の表示画面に仮想の前記被接触物体の画像と手の画像が表示され、
前記入力装置の前記操作体が押されると、前記手の画像で前記被接触物体の状態を変化させる表示が行われるものとして構成できる。

この場合に、前記入力装置の表示画面の変化に付随した発音装置が設けられているものが好ましい。

本発明の触覚再現装置は、前記反力付与制御では、前記被接触物体の軟質度や硬質度が再現され、前記感触付与制御では、前記被接触物体の動きや温度が再現されるものである。

本発明の触覚再現装置は、操作体を指で押したときに操作体の進退移動に応じた反力を発生させ、さらに操作体に触れた指を進退移動方向と交差する方向へ移動させることで、仮想の被接触物体に指を触れているのを模した軟質感や硬質感を指に与えることができる
。

さらに、操作体に異なる向きの操作力を与えることで、被接触物体を模した動きや温度の感触を指に与えることもできる。

本発明の第１の実施の形態の触覚再現装置を使用している例を示す説明図、 本発明の第２の実施の形態の触覚再現装置を使用している例を示す説明図、 図１に示す触覚再現装置に設けられた入力装置を示すものであり、（Ａ）は上方から見た斜視図、（Ｂ）は下方から見た斜視図、 図２に示す入力装置の分解斜視図、 図２に示す入力装置に設けられた触覚発生ユニットを示す斜視図、 本発明の実施の形態の触覚再現装置の構成を示すブロック図、 実施の形態の触覚再現装置の使用例を示しており、仮想の被接触物体として動物の手を掴む動作を模した表示画像を示す説明図、 実施の形態の触覚再現装置の使用例を示しており、仮想の被接触物体である人の肌を指でマッサージする動作を模した表示画像を示す説明図、 （Ａ）は仮想の被接触物体として動物の手を掴むときの各操作体の動作を示す説明図、（Ｂ）は仮想の被接触物体とし肌をマッサージするときの各操作体の動作を示す説明図、 （Ａ）は、動物の手を掴む動作を模したときの反力付与制御を示し、（Ｂ）は、感触付与制御のうちの振動付与制御を示す、

＜全体の構造＞
図１Ａと図１Ｂに、本発明の触覚再現装置１Ａ，１Ｂを使用している状態が示されている。

図１Ａに示す第１の実施の形態の触覚再現装置１Ａは、装置本体１０Ａと入力装置２０とから構成されている。図１Ａでは、入力装置２０が１個使用され、この入力装置２０が右手で操作されている。

入力装置２０はコード５２によって装置本体１０Ａに接続されている。装置本体１０Ａには表示装置１３が設けられている。表示装置１３はカラー液晶表示パネルやエレクトロルミネッセンス表示パネルなどである。装置本体１０Ａはパーソナルコンピュータや、比較的大きな表示画面を有するデモンストレーション用の表示装置などである。

図５に示すように、装置本体１０Ａには、表示装置１３を駆動するための表示ドライバー１４と、表示ドライバー１４の表示形態を制御する制御部１５とが設けられている。制御部１５はＣＰＵとメモリを主体として構成されている。また、制御部１５とそれぞれの入力装置２０との間で信号を授受するためのインターフェース１６が設けられている。

図１Ｂに示す第２の実施の形態の触覚再現装置１Ｂは、装置本体１０Ｂと入力装置２０とから構成されている。図１Ｂでは、同じ入力装置２０が２個使用され、入力装置２０が右手と左手で操作されている。

装置本体１０Ｂは、目の前方に装着するマスク型本体１１と、このマスク型本体１１を頭部に装着するためのストラップ１２を有している。

装置本体１０Ｂのマスク型本体１１に、表示装置１３が設けられている。この表示装置１３は、操作者の目の前方に設置されて目視可能となっている。図５に示す表示ドライバー１４と制御部１５およびインターフェース１６などは、マスク型本体１１に搭載されている。

図２（Ａ）には入力装置２０を上方から外観が斜視図で示され、図２（Ｂ）には入力装置２０を下方から見た外観が斜視図で示されている。図３は、入力装置２０の分解斜視図である。図４には、入力装置２０に内蔵されている３組の触覚発生ユニットのうちの第１の触覚発生ユニット３０Ａの構造が示されている。図２（Ａ）と図３および図４には、入力装置２０を基準としたＸ−Ｙ−Ｚ座標が示されている。入力装置２０はＺ方向が各操作体の押圧方向である。

図１Ａと図１Ｂに示す使用例では、入力装置２０は、Ｙ方向が上下に向けられた姿勢で人の手に保持されている。

図２に示すように、入力装置２０は合成樹脂製のケース２１を有している。ケース２１は片手で保持可能な大きさである。ケース２１は上部ケース２２と下部ケース２３とが組み合わされて構成されている。図３に示すように、上部ケース２２と下部ケース２３は、Ｚ方向に分割可能である。上部ケース２２と下部ケース２３は、ねじ止め手段などで互いに固定されており、２つのケース２２，２３の内部に機構収納空間が形成されている。

上部ケース２２はＺ方向に向く表面が第１の面２２ａであり、下部ケース２３はＺ方向に向く表面が第２の面２３ａである。図３に示すように、上部ケース２２には、第１の面２２ａでＺ方向に貫通する操作穴２４，２４が開口している。下部ケース２３には、第２の面２３ａをＺ方向に貫通する操作穴２５が開口している。操作穴２４，２４はＹ方向に並んで形成されており、Ｙ方向での開口寸法は、操作穴２５が個々の操作穴２４よりも大きくなっている。

上部ケース２２のＹ方向に向く端面には、コネクタ装着穴２６が開口しており、下部ケース２３のＹ方向に向く端面には、電源プラグ装着穴２７が開口している。

図３に示すように、ケース２１の内部の機構収納空間に、機構シャーシ２８が収納されている。機構シャーシ２８は、金属板から折り曲げられて、Ｘ−Ｙ平面と平行な取付け板部２８ａと、Ｙ−Ｚ平面と平行な区分板部２８ｂとが形成されている。

区分板部２８ｂを挟んでＸ方向の一方の側に、第１の触覚発生ユニット３０Ａと第２の触覚発生ユニット３０Ｂが固定されている。第１の触覚発生ユニット３０Ａと第２の触覚発生ユニット３０Ｂは、Ｙ方向に並んで配置されている。区分板部２８ｂを挟んでＸ方向の他方の側に、第３の触覚発生ユニット４０が１組設けられている。

＜触覚発生ユニットの構造＞
図４には、第１の触覚発生ユニット３０Ａの構造が示されている。

第１の触覚発生ユニット３０Ａは、金属板３０を折り曲げたフレーム３１を有している。このフレーム３１が区分板部２８ｂに固定されることで、機構シャーシ２８に第１の触覚発生ユニット３０Ａが搭載されている。

フレーム３１に移動部材３２Ａが設けられている。移動部材３２Ａは合成樹脂材料で形成されており、その先部に第１の対向操作体３３Ａが固定されている。第１の対向操作体３３Ａは合成樹脂材料で形成されている。図２に示すように、第１の対向操作体３３Ａは、上部ケース２２に形成された操作穴２４から外部に突出している。

図１Ａと図１Ｂに示すように、入力装置２０が右手で保持されているときは、第１の対向操作体３３Ａは人差し指で押されることになり、図１（Ｂ）に示すように、入力装置２０が左手で保持されているときは、第１の対向操作体３３Ａが中指で操作される。

図４に示すように、フレーム３１の一方の側板部３１ａにＺ方向に延びる案内長穴３１ｃが形成されている。移動部材３２Ａの側部には摺動突部３２ａが一体に形成されており、摺動突部３２ａが案内長穴３１ｃの内部を摺動することで、移動部材３２Ａがフレーム３１上でＺ方向へ移動自在に支持されている。移動部材３２Ａは凹部３２ｂを有している。この凹部３２ｂの内部では、移動部材３２Ａとフレーム３１の下端部との間の圧縮コイルばね３４が介在している。この圧縮コイルばね３４の弾性力によって、移動部材３２Ａは第１の対向操作体３３Ａが上部ケース２２から突出する方向であるＺ方向の図示上方に向けて付勢されている。

フレーム３１の一方の側壁部３１ａにモータ３５Ａが固定されている。モータ３５Ａの出力軸には出力歯車３６ａが固定されている。側壁部３１ａの外面に減速歯車３６ｂが回転自在に支持されており、出力歯車３６ａと減速歯車３６ｂとが噛み合っている。フレーム３１の側壁部３１ａにギヤボックス３７が固定されており、ギヤボックス３７の内部に減速機構が収納されている。前記減速歯車３６ｂの回転力は、ギヤボックス３７内の減速機構で減速される。ギヤボックス３７内の減速機構は、太陽歯車と遊星歯車などから構成されている。

ギヤボックス３７の減速出力軸にピニオン歯車３７ａが固定されている。移動部材３２Ａには厚肉部の表面にラック部３２ｃが形成されており、ピニオン歯車３７ａとラック部３２ｃとが噛み合っている。ピニオン歯車３８ａの歯部とラック部３２ｃの歯部は、移動部材３２Ａの移動方向と直交するＹ方向に対して傾けられたはす歯である。

前記圧縮コイルばね３４を設けることで、ピニオン歯車３８ａとラック部３２ｃとのバックラッシュを解消することができる。ただし、それぞれの触覚発生ユニットに圧縮コイルばね３４が設けられていなくてもよい。

この実施の形態では、モータ３５Ａと歯車３６ａ，３６ｂとギヤボックス３７およびピニオン歯車３７ａとラック部３２ｃとで、進退駆動部が構成されている。

フレーム３１の他方の側壁部３１ｂに第１の検知部３８Ａが固定されている。第１の検知部３８Ａは、進退移動検知部であり、側壁部３１ｂに固定されたステータ部と、ステータ部に対向して回転するロータ部とを有している。ロータ部に設けられたロータ軸がピニオン歯車３７ａと一緒に回転する。第１の検知部３８Ａは抵抗変化式であり、ステータ部に円弧状の抵抗体パターンが設けられ、ロータ部に前記抵抗体パターンを摺動する摺動子が設けられている。なお、第１の検知部３８Ａは磁気検知型であって、ロータ部に回転マグネットが固定され、ステータ部にＧＭＲ素子などの磁気検知素子が設けられて、ロータ部の回転角度が磁気検知素子によって検知されるものであってもよい。または、第１の検知部３８Ａが、光学式の進退移動検知部であってもよい。

図３に示すように、区分板部２８ｂを挟んでＸ方向の一方の側に、第１の触覚発生ユニット３０Ａと並んで第２の触覚発生ユニット３０Ｂが固定されている。第２の触覚発生ユニット３０Ｂの構造は、第１の触覚発生ユニット３０Ａの構造と同じであるため、詳しい構造の説明は省略する。

第２の触覚発生ユニット３０Ｂでは移動部材３２ＢのＺ側の上部に第２の対向操作体３３Ｂが固定されている。第２の対向操作体３３Ｂは形状と寸法が第１の対向操作体３３Ａと同じである。

また、第２の触覚発生ユニット３０Ｂでは、モータを３５Ｂで示し、第１の検知部を３８Ｂで示しているが、これらは、第１の触覚発生ユニット３０Ａに設けられたモータ３５Ａおよび第１の検知部３８Ａと同じ構造である。

図１Ａと図１Ｂに示すように、入力装置２０が右手で保持されているときは、第２の対向操作体３３Ｂは中指で押されることになり、図１（Ｂ）に示すように、入力装置２０が左手で保持されているときは、第２の対向操作体３３Ｂが人差し指で操作される。

図３に示すように、機構シャーシ２８の区分板部２８ｂの他方の側に第３の触覚発生ユニット４０が設けられている。

第３の触覚発生ユニット４０は、第１の触覚発生ユニット３０Ａおよび第２の触覚発生ユニット３０Ｂと基本的な構造が同じであるが、第３の触覚発生ユニット４０の方がやや大きく構成されている。第３の触覚発生ユニット４０は、フレーム４１に移動部材４２がＺ方向へ移動自在に支持されており、移動部材４２の先部に親指操作体４３が固定されている。親指操作体４３は、下部ケース２３の操作穴２５から図示下方へ突出している。移動部材４２は圧縮コイルばね４４によって、親指操作体４３が操作穴２５から突出する方向へ付勢されている。なお前述のようにこの圧縮コイルばね４４は省略することが可能である。

親指操作体４３は、Ｙ方向の幅寸法が、第１の対向操作体３３Ａと第２の対向操作体３３Ｂよりも大きく形成されており、第１の対向操作体３３Ａと第２の対向操作体３３Ｂの双方が、親指操作体４３とＺ方向で対向している。図１Ａと図１Ｂに示すように、入力装置２０は右手で保持されるときと左手で保持されるときの双方において、親指操作体４３が親指で操作される。

第３の触覚発生ユニット４０においても、フレーム４１にモータ４５が固定されており、モータ４５の出力軸に固定された出力歯車４６ａが減速歯車４６ｂと噛み合っている。前記減速歯車４６ｂの回転力は、ギヤボックス４７内の減速機構で減速され、その減速出力がピニオン歯車から、移動部材４２に形成されたラック部に伝達される。そしてピニオン歯車の回転が第１の検知部４８で検知される。

図２に示すように、第１の対向操作体３３Ａの端面に第１の感触発生部５６Ａが固定され、第２の対向操作体３３Ｂの端面に第２の感触発生部５６Ｂが固定されている。また親指操作体４３の端面に第３の感触発生部５５が固定されている。

図４に示すように、第１の感触発生部５６Ａは、第１の対向操作体３３Ａの端面に固定される振動発生部５７と、この振動発生部５７に重ねられた熱可変素子５８とを有している。第２の感触発生部５６Ｂも振動発生部５７とその上に重ねられた熱可変素子５８を有している。同様に、第３の感触発生部５５も、振動発生部５７とその上に重ねられた熱可変素子５８を有している。

振動発生部５７は、立方体形状のケースの内部に振動子が収納されている。振動子はケース内で板バネなどの弾性部材によってＺ方向へ振動自在に支持されている。振動子にはコイルが巻かれており、ケース内には前記コイルに対向する磁石が固定されている。コイルに交流電流を与えることで、振動子が振動する。逆に、振動子が磁石で形成され、振動子に対向するコイルがケース内に固定されていてもよい。あるいは振動発生部５７が圧電素子で構成されていてもよい。

振動発生部５７は、比較的高い周波数の振動を発生することができ、その振動の周波数は、第１の触覚発生ユニット３０Ａと第２の触覚発生ユニット３０Ｂおよび第３の触覚発生ユニット４０において、モータ３５Ａ，３５Ｂ，４５の駆動力で発生させることができる往復運動の周波数よりも高くすることが可能である。

熱可変素子５８は、いわゆるペルチェ素子であり、対向する２枚の金属板に直流電流を与えたときのペルチェ効果の熱の移動を利用したものであり、電流方向に応じてＺ方向の表面側の金属板の熱量が変化する。電流方向と電流量を制御することで、熱可変素子５８に触れた指に温かい温度や冷たい温度を感じさせることが可能である。

さらに、図３と図４に示すように、第１の対向操作体３３Ａの先端に設けられた前記第１の感触発生部５６Ａの上に、第２の検知部（摺動検知部）５４Ａが重ねられて固定されている。同様に、第２の対向操作体３３Ｂの先部では、第２の感触発生部５６Ｂの上に、第２の検知部（摺動検知部）５４Ｂが重ねられて固定されている。また、親指操作体４３の先部では、第３の感触発生部５５の上に第２の検知部（摺動検知部）５９が重ねられて固定されている。

第２の検知部５４Ａ，５４Ｂ，５９は、いずれも各感触発生部５５，５６Ａ，５６Ｂに設けられた熱可変素子５８の表面に固定されている。したがって、第２の検知部５４Ａ，５４Ｂ，５９は、熱可変素子５８の熱を指に伝達できるように薄い構造となっている。

第２の検知部５４Ａ，５４Ｂ，５９は、樹脂フィルムの基板にＸ方向に延びる複数のＸ電極と、Ｙ方向に延びる複数のＹ電極を有しており、Ｘ電極とＹ電極は互いに絶縁されて交差している。また、Ｘ電極とＹ電極の表面は絶縁層で覆われている。Ｘ電極とＹ電極の一方の電極に順番に電圧が印加され、他方の電極の電流値を順番に検知することで、指が触れたときの電極間の静電容量の変化を検知できる。よって、第２の検知部５４Ａ，５４Ｂ，５９は、その表面に触れた指のＸ方向とＹ方向の移動（摺動）を検知することができる。

なお、第２の検知部５４Ａ，５４Ｂ，５９は、触れた指が移動すると抵抗値が変化する可変抵抗センサなどで構成されていてもよい。

図３に示すように、ケース２１の内部には、信号コネクタ１７と電源プラグ２９が内蔵されている。信号コネクタ１７は、上部ケース２２に形成されたコネクタ装着穴２６の内部に露出しており、電源プラグ２９は、下部ケース２３に形成された電源プラグ装着穴２７の内部に露出している。

図５のブロック図に示すように、第１の触覚発生ユニット３０Ａと第２の触覚発生ユニット３０Ｂおよび第３の触覚発生ユニット４０のそれぞれにモータドライバ５１が設けられている。第１の触覚発生ユニット３０Ａに設けられたモータ３５Ａと第２の触覚発生ユニット３０Ｂに設けられたモータ３５Ｂおよび第３の触覚発生ユニット４０に設けられたモータ４５は、それぞれのモータドライバ５１によって回転駆動される。

それぞれのモータドライバ５１はインターフェース１７ａを介して前記信号コネクタ１７に接続されている。

第１の触覚発生ユニット３０Ａに搭載された第１の検知部３８Ａと第２の触覚発生ユニット３０Ｂに搭載された第１の検知部３８Ｂおよび第３の触覚発生ユニット４０に搭載された第１の検知部４８は、それぞれインターフェース１７ａを介して前記信号コネクタ１７に接続されている。

また、第１の触覚発生ユニット３０Ａに搭載された第１の感触発生部５６Ａと第２の触覚発生ユニット３０Ｂに搭載された第２の感触発生部５６Ｂおよび第３の触覚発生ユニット４０に搭載された第３の感触発生部５５も、それぞれインターフェース１７ａを介して前記信号コネクタ１７に接続されている。さらに、それぞれの第２の検知部５４Ａ，５４Ｂ，５９も、インターフェース１７ａを介して前記信号コネクタ１７に接続されている。

図５に示すように、入力装置２０のケース２１の内部に姿勢検知部５３が設けられている。姿勢検知部５３は、例えば地磁気センサを検知する磁気センサであり、あるいは振動型ジャイロ装置であり、入力装置２０の操作空間内での姿勢や操作空間上での位置を検知することができる。姿勢検知部５３はインターフェース１７ａを介して前記信号コネクタ１７に接続されている。

図５に示すように、装置本体１０Ａ，１０Ｂにインターフェース１６が設けられ、個々のインターフェース１６が接続されている信号コネクタと、個々のインターフェース１７ａが接続されている前記信号コネクタ１７とがコード５２で接続されている。前記コード５２には電源ラインが含まれており、電源ラインが電源プラグ２９に接続されている。この電源ラインを通じて装置本体１０Ａ，１０Ｂから入力装置２０に電力が供給される。

なお、装置本体１０Ａ，１０Ｂとそれぞれの入力装置２０とがＲＦ信号によって通信可能とされており、入力装置２０に電池が内蔵されていてもよい。この場合には、装置本体１０Ａ，１０Ｂと入力装置２０とを繋ぐコード５２が不要である。

また、装置本体１０Ａ，１０Ｂは、さらにサーバーとの通信機能を有しているものであってもよい。

また、図１Ａに示す装置本体１０Ａと図１Ｂに示す装置本体１０Ｂには、いずれも発音装置が設けられている。発音装置は空間中に音を発するスピーカ、またが操作者の耳に音を与えるレシーバなどである。

次に、前記触覚再現装置１の操作方法と動作について説明する。
＜入力装置２０の操作と第１の反力付与制御＞
図２に示すように、入力装置２０は、ケース２１の第１の面２２ａに第１の対向操作体３３Ａと第２の対向操作体３３Ｂが突出し、第２の面２２ｂに１個の親指操作体４３が突出しており、２つの対向操作体３３Ａ，３３Ｂと親指操作体４３が、Ｚ方向において互いに逆向きに突出している。図１Ａと図１Ｂに示すように、１個の入力装置２０が片方の手で保持されて、親指で親指操作体４３が押圧操作され、人差し指と中指で第１の対向操作体３３Ａと第２の対向操作体３３Ｂが押圧操作される。

入力装置２０では、制御部１５の第１の反力付与制御によりそれぞれのモータドライバ５１に制御指令が与えられ、第１の触覚発生ユニット３０Ａのモータ３５Ａと第２の触覚発生ユニット３０Ｂのモータ３５Ｂおよび第３の触覚発生ユニット４０のモータ４５が前記制御指令に基づいて動作させられる。

モータ３５Ａ，３５Ｂとモータ４５の回転を制御することにより、移動部材３２Ａ，３２Ｂと移動部材４２を任意の位置へ移動させて、その位置で停止させることができる。例えば、第１の対向操作体３３Ａと第２の対向操作体３３Ｂおよび親指操作体４３をケース２１から最大限まで突出させた位置で停止させることができ、または各操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３をケース２１の内部に最大限に後退させた位置で停止させることができる。また、各操作体３３Ａ，３３Ｂと操作体４３を最大突出位置と最大後退位置の中間の任意の位置で停止させることもできる。

また、モータ３５Ａ，３５Ｂとモータ４５に与えられる電力を制御することにより、ケース２１から突出している各操作体３３Ａ，３３Ｂ，４０を指で押しても動かないように、モータ３５Ａ，３５Ｂ，４５のモータを強い力で保持させることができる。

第１の反力付与制御では、各移動部材３２Ａ，３２Ｂ，４２が移動できる状態のときに、第１の対向操作体３３Ａと第２の対向操作体３３Ｂおよび親指操作体４３のいずれかが押されて、移動部材３２Ａ，３２Ｂ，４２が押し込み方向へ移動すると、その移動位置が第１の検知部３８Ａ，３８Ｂまたは第１の検知部４８で検知されて、その検知出力が制御部１５に与えられる。制御部１５には、反力付与制御のために、移動距離と反力との関係を示す反力作用線（反力作用係数）に関するデータが保持されており、操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３の押し込み位置に応じて、モータ３５Ａ，３５Ｂまたはモータ４５が前記反力作用線に応じたトルクを発生するように制御される。これによって、対向操作体３３Ａ，３３Ｂを押圧している人差し指と中指、および親指操作体４３を押圧している親指に反力が与えられる。

図９（Ａ）に、制御部１５内のメモリに格納されている反力作用線（反力作用係数）のデータの例が示されている。いずれも横軸が操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３の押し込み量（押し込み位置）であり、図示右方向に向かうにしたがって押し込み量が多くなっている。

縦軸は、モータ３５Ａ，３５Ｂ，４５から各移動部材３２Ａ，３２Ｂ，４２に与えられる移動力であり、この移動力が対向操作体３３Ａ，３３Ｂおよび親指操作体４３から各指に与えられる反力となる。縦軸で上に向かうにしたがって、対向操作体３３Ａ，３３Ｂおよび親指操作体４３をケース２１から突出させようとする力が大きくなり、指に感じる反力が大きくなる。

図９（Ａ）において実線で示す反力作用線は、各操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３をケース２１に向けて押し込んだときに、その押し込み量に比例して指に感じる反力が一次関数的に増大している。これは指で操作体を押し込めば押し込むほど反力が増加することを意味している。この場合の実線の傾きは、弾性体である仮想の被接触物体を指で押し込んだときの弾性係数に相当している。

図９（Ａ）において破線で示す反力作用線は、水平な直線となっている。これは、各操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３をケース２１に向けて押し込んだときにどの位置まで押し込んでも指に感じる反力が一定であることを意味している。これはほとんど弾性を発揮しない軟質な物体を指で押したときの動作を模したものである。

このように、モータ３５Ａ，３５Ｂ，４５を制御することで、各操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３を保持している指に、硬質感や軟質感を与えることができる。

＜入力装置２０の操作と第２の反力付与制御＞
図１Ａまたは図１Ｂに示すように、親指操作体４３の先部に親指を触れ、第１の対向操作体３３Ａの先部と第２の対向操作体３３Ｂの先部に人差し指と中指を触れて入力装置２０を保持した状態で、各操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３を押しながらいずれかの指をＸ−Ｙ平面に沿って摺動させ、あるいは各操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３を押すことなくいずれかの指をＸ−Ｙ平面に沿って摺動させると、第２の検知部５４Ａ，５４Ｂ，５９によってその指の動きが検知されて制御部１５に検知信号が与えられる。

第２の検知部５４Ａ，５４Ｂ，５９では、指を操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３の先部においてＸ−Ｙ平面内で摺動させたことが検知され、その摺動量も検知される。制御部１５では、どの指が摺動したかを判別し、指が摺動した操作体を有する触覚発生ユニットに制御信号が与えられる。例えば、親指操作体４３の先部で親指を摺動させたことが第２の検知部５９で検知されると、第３の触覚発生ユニット４０のモータ４５が動作させられ、親指操作体４３から親指に反力が与えられる。

なお、本発明の触覚再現装置１Ａ，１Ｂは、各操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３の先部に感触発生部５５，５５Ａ，５６Ｂを設けることなく、各操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３の先部に、第２の検知部５４Ａ，５４Ｂ，５９が直接に固定されていてもよい。

＜入力装置２０の操作と感触付与制御＞
親指が親指操作体４３に触れ、人差し指と中指が第１の対向操作体３３Ａと第２の対向操作体３３Ｂに触れているときに、制御部１５からの感触制御信号が生成されると、この感触制御信号が、第１の触覚発生ユニット３０Ａに設けられた第１の感触発生部５６Ａと第２の触覚発生ユニット３０Ｂに設けられた第２の感触発生部５６Ｂおよび第３の触覚発生ユニット４０に設けられた第３の感触発生部５５に与えられる。

感触制御信号により、各感触発生部５５，５６Ａ，５６Ｂの振動発生部５７が個別にまたは同時に制御されると、指に振動が与えられる。また、感触制御信号により、各感触発生部５５，５６Ａ，５６Ｂの熱可変素子５８が個別にまたは同時に制御されると、指で感じる温度が変化させられる。感触制御信号によって、振動発生部５７と熱可変素子５８が同時に駆動されて同時に制御されてもよいし、振動発生部５７と熱可変素子５８のいずれか一方のみが駆動されて制御されてもよい。

したがって、各感触発生部５５，５６Ａ，５６Ｂは、振動発生部５７のみで構成されもよいし、熱可変素子５８のみで構成されてもよい。

感触付与制御は、制御部１５において第１の検知部３８Ａ，３８Ｂ，４８からの検知信号を監視し、指によって各操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３が押されたときのその押し込み量に応じて、振動発生部５７で発生する振動の周波数や振動のデューティ比を変化させ、前記押し込み量に応じて熱可変素子５８から指に感じさせる温度を変化させる。

または、第２の検知部５４Ａ，５４Ｂ，５９のいずれかが、指の摺動を検知したときに、その摺動動作に対応させて、振動発生部５７で発生する振動の周波数や振動のデューティ比を変化させ、熱可変素子５８から指に感じさせる熱（温度）を変化させる。

あるいは、制御部１５では、姿勢検知部５３からの検知信号に基づき、入力装置２０の姿勢の変化に応じて、振動発生部５７で発生する振動の周波数や振動のデューティ比を変化させ、熱可変素子５８から指に感じさせる熱（温度）を変化させることもできる。

さらには、制御部１５のメモリから、模擬的な接触動作の対象となる被接触物体の情報が呼び出され、表示画面１３ａにその被接触物体の表示画像が表示されている状態で、表示されている被接触物体が特定の姿勢や形状となったときに、振動発生部５７で発生する振動の周波数や振動のデューティ比を変化させ、熱可変素子５８から指に感じさせる熱（温度）を変化させてもよい。あるいは、模擬的な接触動作の対象となる被接触物体の情報が呼び出されている状態で、操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３のいずれかが押され、あるいは指が操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３を摺動したことが検知されると、その操作に応じて、振動発生部５７で発生する振動の周波数や振動のデューティ比を変化させ、熱可変素子５８から指に感じさせる熱（温度）を変化させてもよい。

このときに、時間の経過に伴って振動発生部５７で発生する振動の周波数や振動のデューティ比を変化させてもよく、時間の経過に伴って熱可変素子５８から指に感じさせる熱を変化させてもよい。

＜動物やぬいぐるみなどを掴む動作を模した操作＞
触覚再現装置１Ａ，１Ｂでは、複数種の仮想の被接触物体を手で保持したり、指で触ったりするのを模した反力と感触を操作者の手に感じさせることができる。複数種の仮想の被接触物体の反力作用線（反力作用係数）のデータや感触制御情報は、制御部１５に設けられたメモリに格納されている。また、制御部１５で表示ドライバー１４が制御され、図１Ａまたは図１Ｂに示す表示装置１３に複数種の仮想の被接触物体の画像が選択されて表示され、また手の画像も表示される。これら表示はコンピュータグラフィックによるものである。

図６には、表示装置１３の表示画面１３ａに、仮想の被接触物体として動物６１（動物の脚またはぬいぐるみの脚など）が表示されている。

表示画面１３ａには手Ｈの画像が表示されており、所定の操作を行うことで、表示画面１３ａに現れている手Ｈの画像が移動し、手Ｈの画像が動物６１の脚を掴んだ状態に表示状態が変化する。例えば、入力装置２０を手で保持して移動させると、その移動姿勢が姿勢検知部５３で検知されて制御部１５に姿勢に関する情報が与えられる。この情報により表示ドライバー１４が制御されて、表示画面１３ａに現れている手Ｈの画像が移動し、動物６１を掴みに行くように表示される。あるいは、キーボードなどの他の操作部材で、被接触物体として動物６１を選択すると、表示画面１３ａに現れている手Ｈが動物６１の画像を保持するように表示状態が変化する。

また、手に保持されている入力装置２０の姿勢（向き）を姿勢検知部５３で検知することで、表示画面１３ａ内での手の画像の向きも変化する。

仮想の手Ｈで保持しようとする仮想の被接触物体として動物６１の脚が選択されると、各モータ３５Ａ，３５Ｂ，４５が制御されて、対向操作体３３Ａ，３３Ｂおよび親指操作体４３の初期位置が設定される。仮想の被接触物体が動物６１の脚のように３本の指で保持できるときには、対向操作体３３Ａ，３３Ｂおよび親指操作体４３が、図８（Ａ）に示すように、ケース２１から最大限突出した初期位置に設定される。

制御部１５は、メモリから例えば図９（Ａ）に示す反力作用線（反力作用係数）のデータを読み出し、制御部１５は前記反力作用線のデータに基づいて各モータ３５Ａ，３５Ｂ，４５を制御する。第３の触覚発生ユニット４０において、モータ４５から移動部材４２と親指操作体４３に与えられる反力Ｆａ、および第１の触覚発生ユニット３０Ａにおいて、モータ３５Ａから移動部材３２Ａと第１の対向操作体３３Ａに与えられる反力Ｆｂ、ならびに第２の触覚発生ユニット３０Ｂにおいて、モータ３５Ｂから移動部材３２Ｂと第２の対向操作体３３Ｂに与えられる反力Ｆｃは、図９（Ａ）に示すよう設定される。

第１の反力付与制御では、図９（Ａ）に示す反力作用線に基づき、３つの指による押し込み量が増加するにしたがって、各指に与えられる反力Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃがほぼ一次関数で増加するように制御される。すなわち、入力装置２０を保持している３本の指によって動物６１の体の一部である脚を保持すると、動物６１から弾性反力を受けているように感じることができる。

図９（Ａ）に示すように、表示画面１３ａにおいて、手Ｈの画像で動物６１を掴んでいる画像が表示されている状態で、例えば親指を上下方向へ移動させると、入力装置２０の親指操作体４３の先部に設けられた第２の検知部５９によって、親指のＹ方向の摺動が検知されて、その情報が制御部１５に与えられて第２の反力付与制御が行われる。

第２の反力付与制御では、親指を摺動させて動物６１に触れる位置を変化させると、その接触位置に応じて、親指操作体４３から親指に与えられる反力Ｆａが変化する。例えば、動物６１の表面で親指が触れる位置を移動させると、図９（Ａ）において実線で示す反力作用線の傾きが変化し、親指が触れる場所に応じて動物６１の表面の硬さが変化するような触覚を得ることができる。例えば骨が存在する部分に指が移動すると硬く感じ、それ以外の部分に指が移動すると柔らかく感じるようになる。

さらに、図６に示す表示が行われている状態で感触付与制御が行われる。この感触付与制御では、まず指で動物６１を保持する画像が表示されると、感触発生部５５，５６Ａ，５６Ｂの熱可変素子５８が制御され、各指が動物６１の体温を模した温かみを感じるようになる。また、いずれかの指で操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３のいずれかを押すと、図６に示す表示画面１３ａに表示された画像で、指が動物６１の表面を押しているように画像が変化し、指で押す量が大きくなると、指で感じる温度がやや高くなるように熱可変素子５８が制御される。

次に、図６において矢印で示すように、親指を移動させ、この移動が第２の検知部５９で検知されると、制御部１５によって感触発生部５５の振動発生部５７が制御され、振動発生部５７が振動して、その振動が親指に与えられる。例えば、図９（Ｃ）に示すように、振動発生部５７で比較的高い周波数ｆで振動を発生させ、図９（Ｂ）に示すように、親指の摺動ストロークに応じて、振動の発生期間ｔが繰り返されるように制御される。この振動が親指に伝わると、親指が動物の表面を触っているのと同等のざらつき感を得ることができる。

また、振動の発生期間ｔの長さや、その間隔を変えることで、指を毛皮の表面で摺動させているか、肌の表面で摺動させているかを区別できる感触を得ることが可能になる。

また、発音装置を動作させて、毛皮のざらつき感を模した音を、指の移動に合わせて発音させてもよいし、動物の鳴き声を発音させてもよい。

＜指で肌をマッサージしているのを模した操作＞
図８には、仮想の被接触物体として人などの肌を選択し、指でマッサージしている動作を模したときの表示例が示されている。

右手で保持した入力装置２０を移動させて、表示画面１３ａ内に表示されている手Ｈの画像を人６２の画像の肌の上に移動させることで、表示画面１３ａでは、指が肌を押している画像が表示される。

１本の指でマッサージする動作モードを選択すると、モータ４５によって移動部材４２が引き込み方向へ移動させられ、モータ３５Ｂによって移動部材３２Ｂが引き込み方向へ移動させられる。その結果、入力装置２０の初期状態は、図８（Ｂ）に示すように、親指操作体４３と第２の対向操作体３３Ｂがケース２１に向けて退行した状態となり、第１の対向操作体３３Ａのみがケース２１から突出するものとなる。

ケース２１に向けて退行している親指操作体４３を親指で保持し、同じく退行している第２の対向操作体３３Ｂを中指で保持して、ケース２１から突出している第１の対向操作体３３Ａを人差し指で押し込むと、図８に示す表示画面１３ａに表示されている人差し指が動いて人をマッサージする画像が表示される。また、２本の指でマッサージする動作モードを選択すると、ケース２１から第１の対向操作体３３Ａと第２の対向操作体３３Ｂが突出し、人差し指と中指でマッサージするよう画像が変化する。

第１の反力付与制御と第２の反力付与制御は、図６に示すように動物６１が表示されているときと同じである。指で第１の対向操作体３３Ａ（および第２の対向操作体３３Ｂ）を押すと、指に弾性反力が作用し、指を操作体の先部で摺動させると、指で触っている肌の位置が変化し、手に感じる弾性反力の硬さが変化する。

感触付与制御も図６と同じであり、指に人の肌の体温を感じる熱が与えられる。また操作体３３Ａ（３３Ｂ）の表面で指を摺動させ、これが第２の検知部５４Ａ（５４Ｂ）で検知されると振動発生部５７から指に振動が与えられ、肌触りを指に感じさせることができる。

＜他の被接触物体の例＞
また入力装置２０を保持したときに表示画面１３ａに表示する被接触物体としては、液体の入った風船の画像、スマートホンの操作を模した画像など、種々のものに対して対応可能である。

１Ａ，１Ｂ 触覚再現装置
１０Ａ，１０Ｂ 装置本体
１１ マスク型本体
１３ 表示装置
１５ 制御部
２０ 入力装置
２１ ケース
２８ 機構シャーシ
３０Ａ 第１の触覚発生ユニット
３０Ｂ 第２の触覚発生ユニット
３２Ａ，３２Ｂ 移動部材
３３Ａ 第１の対向操作体
３３Ｂ 第２の対向操作体
３５Ａ，３５Ｂ モータ
３８Ａ，３８Ｂ 第１の検知部
４０ 第３の触覚発生ユニット
４２ 移動部材
４３ 親指操作体
４５ モータ
４８ 第１の検知部
５４Ａ，５４Ｂ 第２の検知部
５５ 第３の感触発生部
５６Ａ 第１の感触発生部
５６Ｂ 第２の感触発生部
５７ 振動発生部
５８ 熱変換素子
５９ 第２の検知部

Claims (6)

1. 入力装置と制御部とを有し、
   前記入力装置には、
   進退移動し指で押圧可能な操作体と、前記操作体の移動位置を検知する第１の検知部と、前記操作体に進退方向の力を与える進退駆動部と、前記操作体に設けられて前記操作体に触れた指の前記進退移動方向と交差する方向への移動を検知する第２の検知部とが設けられ、
   前記制御部では、
   前記第１の検知部からの検知情報に基づいて前記進退駆動部を駆動し前記操作体から指に力を与える第１の反力付与制御と、前記第２の検知部からの検知情報に基づいて前記進退駆動部を駆動し前記操作体から指に力を与える第２の反力付与制御とが行われることを特徴とし、
   前記操作体は複数設けられており、
   前記入力装置には、親指で押圧操作される親指操作体と、人差し指と中指で個別に押圧操作される第１の対向操作体ならびに第２の対向操作体とが設けられており、
   前記親指操作体の突出方向に対して、第１の対向操作体と第２の対向操作体が逆向きに突出している触覚再現装置。
2. 入力装置と制御部とを有し、
   前記入力装置には、
   進退移動し指で押圧可能な操作体と、前記操作体の移動位置を検知する第１の検知部と、前記操作体に進退方向の力を与える進退駆動部と、前記操作体に設けられて前記操作体に触れた指に感触を与える感触発生部と、前記操作体に設けられて前記操作体に触れた指の前記進退移動方向と交差する方向への移動を検知する第２の検知部とが設けられ、
   前記制御部では、
   前記第１の検知部からの検知情報に基づいて前記進退駆動部を駆動し前記操作体から指に力を与える反力付与制御と、前記第２の検知部からの検知情報に基づいて前記感触発生部を動作させて指に感触を与える感触付与制御とが行われることを特徴とし、
   前記操作体は複数設けられており、
   前記入力装置には、親指で押圧操作される親指操作体と、人差し指と中指で個別に押圧操作される第１の対向操作体ならびに第２の対向操作体とが設けられており、
   前記親指操作体の突出方向に対して、第１の対向操作体と第２の対向操作体が逆向きに突出している触覚再現装置。
3. 前記感触発生部は振動発生部である請求項２記載の触覚再現装置。
4. 前記感触発生部は熱可変素子である請求項２記載の触覚再現装置。
5. 前記感触発生部に振動発生部と熱可変素子の双方が設けられている請求項２記載の触覚再現装置。
6. 前記振動発生部で発生する振動の周波数が、前記進退駆動部で操作体に与えることができる往復運動の周波数よりも高い請求項３または５記載の触覚再現装置。

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