JP6943807B2 - 触覚情報呈示装置 - Google Patents

Description

本発明は、触覚情報呈示装置に関する。

従来、人が対象物に手指で触れたときに感じる対象物の凹凸や硬軟などの触力覚情報を扱う触力覚呈示装置に関し、触力覚情報を複数の触感覚器によって同時に認知することができ、現実の触わる動作、力を探る動作に非常に近い触覚情報呈示装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の触覚情報呈示装置は、その筐体全体がほぼ人の手の大きさと同等か少し大き目に形成され、筐体の人の手が接触する表面には、複数の手の感覚器に対応して複数の触覚情報呈示部材が設けられている。親指に対応して、触覚情報呈示部材があり、順に、触覚情報呈示部材が各指に対応している。そして、母指球部分と小指球部分、指の付け根部にそれぞれ触覚情報呈示部材をその形にあった呈示サイズで設けて構成している。

特開平１１−２０３０４０号公報

仮現運動等の触覚呈示を行なう場合は、部位によらず刺激知覚強度を等しくすることが好ましい。しかし、特許文献１の技術では、部位によって刺激強度の閾値が異なるため、刺激部位ごとに刺激強度を調整する必要があり、その制御のためにシステムが複雑化するという課題がある。また、部位によって刺激面積を変更し、空間的加重効果を利用して刺激強度を等しくすることも考えられるが、手の載置状態によっては、必ずしも刺激面積と接触面積が等しくなるとはいえないという問題もある。

したがって、本発明の目的は、仮現運動等の触覚呈示を行なう場合、操作者の手に対して均一刺激が可能な触覚情報呈示装置を提供することにある。

［１］上記目的を達成するため、操作者の手を載置可能な載置部と、弾性体に支持された刺激子を備え、前記載置部に搭載され、前記手の少なくとも２か所の部位に対して刺激を与える刺激発生部と、前記刺激発生部を駆動し、各種電子機器から受け取った情報に合わせた刺激を発生させるように調整する制御部と、有し、前記弾性体のバネ定数が均一刺激を実現可能なバネ定数に設定された、触覚情報呈示装置を提供する。
［２］前記制御部は、刺激の強度及びパターンを調整する、上記［１］に記載の触覚情報呈示装置であってもよい。
［３］また、前記刺激子は、前記載置部の外形の開口部稜線から前記弾性体の付勢により突出しており、前記開口部稜線の法線方向に変位可能とされている、上記［１］又は［２］に記載の触覚情報呈示装置であってもよい。
［４］また、前記バネ定数は、知覚感度が低い部位では大きく、知覚感度が高い部位では小さく設定されている、上記［１］から［３］のいずれか１に記載の触覚情報呈示装置であってもよい。
［５］また、前記刺激発生部は、前記刺激として振動刺激を発生させる、上記［１］から［４］のいずれか１に記載の触覚情報呈示装置であってもよい。
［６］また、前記刺激発生部は、前記刺激として温冷刺激を発生させる、上記［１］から［４］のいずれか１に記載の触覚情報呈示装置であってもよい。
［７］また、前記部位は、前記手の、指先部、指尖球部、手のひら中央部を含む複数の部位である、上記［１］から［６］のいずれか１に記載の触覚情報呈示装置であってもよい。
［８］また、前記載置部は、車両に搭載され、前記制御部は、前記車両の走行時の安全性に関する情報を呈示する、上記［１］から［７］のいずれか１に記載の触覚情報呈示装置であってもよい。

本発明の触覚情報呈示装置によれば、仮現運動等の触覚呈示を行なう場合、操作者の手に対して均一刺激を可能とすることができる。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る触覚情報呈示装置の平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、図１（ｃ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 図２は、刺激発生部の拡大断面図であり、刺激子が載置部の外形の開口部稜線から突出した状態を示す図である。 図３は、刺激発生部の拡大断面図であり、刺激子が操作者の手に当接して刺激を与えている状態を示す図である。 図４は、刺激を知覚するのに必要な刺激強度と部位との関係を示す図である(指先部で規格化)。 図５は、部位ごとの載置時接触圧と知覚感度の関係を示す表である。 図６は、押し込み荷量と手との接触面積の関係を示す表である(１０Ｎで規格化)。 図７は、各部位と空間的加重効果の関係を示す図である(指先部で規格化)。 図８（ａ）〜（ｃ）は、刺激発生部が発生する刺激としての振動の例を示すもので、図１で示した３つの刺激発生部が順に振動を発生させている状態を示す振動加速度の図である。 図９は、本発明の第２の実施の形態に係る触覚情報呈示装置の平面図であり、刺激発生部が３×３のマトリクス配置とされた例を示す平面図である。 図１０は、本発明の第３の実施の形態に係る触覚情報呈示装置であり、刺激発生部が刺激として温冷刺激を発生させる例を示す断面図である。

（本発明の第１の実施の形態）
本発明の実施の形態に係る触覚情報呈示装置１は、操作者の手１００を載置可能な載置部１０と、弾性体に支持された刺激子を備え、載置部１０に搭載され、手１００の少なくとも２か所の部位に対して刺激を与える刺激発生部２０と、刺激発生部を駆動し、各種電子機器から受け取った情報に合わせた刺激を発生させるように調整する制御部３０と、有し、弾性体のバネ定数が均一刺激を実現可能なバネ定数に設定されるように構成されている。本実施の形態では、弾性体として、例えば、バネを使用する。

本発明の実施の形態に係る触覚情報呈示装置１は、刺激子を保持する弾性体のバネ定数を、対象とする刺激部位によって異ならせることで狙いの接触面積となるようにし、空間的加重効果によって刺激の知覚強度を均一とするものである。このような構成により、操作者の手に対して、均一刺激が可能な多点での触覚情報を呈示できる触覚情報呈示装置が可能となる。

また、多点での触覚情報を呈示でき、手１００の少なくとも２か所の部位に対して刺激を与える構成としているので、仮現運動等の触覚呈示を行なうことができる。仮現運動とは、実際には動いてないにもかかわらず、動いているように感じてしまう現象のことをいう。

また、本発明の実施の形態に係る触覚情報呈示装置１は、車両に搭載することにより、車両の走行時の安全性に関する情報を呈示することができる。

（載置部１０）
載置部１０は、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、操作者の手を載置可能な形状、大きさに形成されている。載置部１０は、例えば、ポリカーボネート等の樹脂等の、載置される手を支持可能な剛性を有して形成されている。載置部１０は、図１（ａ）に示すように、手１００をその上に載置したときに、例えば、指先部１１０、指尖球部１１１、手のひら中央部１１２に各刺激子が刺激を与えるように刺激発生部２０が配置されている。この配置は一例であって、少なくとも２か所以上の部位に刺激を与えるように構成されていればよい。

載置部１０は、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、手１００を載置しやすいように、載置部１１が円弧状等の曲面として形成されている。なお、この載置部１０の載置部１１の円弧状等の曲面１２は、任意に設定可能であって、平面、曲面を一部または全部に含むものであってもよく、また、平面、任意の曲面を組み合わせたものであってもよい。

載置部１０は、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、後述する刺激発生部２０が取り付けられる開口部１４を備えている。開口部１４には、後述する刺激発生部２０が埋設され、載置部１１がその上を覆うように固定されている。この開口部１４は、図２に示すように、曲面１２の表面１２ａから開口部稜線１３の法線方向Ｌ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）に所定の深さで形成されている。これにより、後述するように、刺激発生部２０が載置された手１００を垂直な方向（法線方向Ｌ、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）に刺激することができる。

（刺激発生部２０）
第１の実施の形態における刺激発生部２０は、操作者の手１００に振動により刺激を与えるように構成されている。刺激発生部２０は刺激子２１を有し、刺激子２１の突起部２１ａは、操作者の手１００に当接して刺激を与えるために、指よりも小さいサイズであることが好ましい。

刺激発生部２０は、図２に詳細を示すように、刺激子２１が弾性体としてのバネ４０により支持され、電磁アクチュエータ２５により駆動されて振動可能とされている。刺激子２１は、図２に示すように、曲面１２の表面１２ａから所定の突出量Ｄで突出した突起部２１ａと、突起ベース部２１ｂから構成されている。突起ベース部２１ｂには、載置部１０から弾性力を付与するためのバネ４０が当接する。また、電磁アクチュエータ２５から駆動力を受けるため、突起ベース部２１ｂには、ボイスコイルとしての筒状のコイル部２２が固定された状態で備えられている。

上記説明した刺激発生部２０は、第１の実施の形態では、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、３カ所設けられているが、それぞれの刺激子２１の突出量Ｄはすべて同じに設定されている。

バネ４０は、図２に示すように、刺激子２１を弾性力により、上方向に付勢する。バネ４０は、一端部４０ａが載置部１０に当接し、他端部４０ｂが突起ベース部２１ｂに当接し、図２に示す状態において、所定のバネ定数で上方向に付勢されている。突起ベース部２１ｂの上端部２１ｃは載置部１０の載置部１１に当接している。したがって、操作者の手１００が載置部１１に載置されていない状態では、突起部２１ａは、図２に示すように、所定のバネ定数で上方向に付勢された状態で、所定の突出量Ｄで突出している。

図３は、刺激子２１が操作者の手１００に当接して刺激を与えている状態を示す図である。操作者が載置部１０に手を載置すると、図３に示すように、刺激子２１がバネ４０の付勢力に抗して載置部１０側に押し込まれる。

ここで、図４に示すように、部位によって刺激を知覚するのに必要な刺激強度が異なるため、同じ刺激強度の刺激を与えると、違和感が生じる。そのため、部位に応じて刺激強度を変え、また、刺激面積を変えて刺激を行なうことで、知覚する刺激強度を均一化する方法が考えられる。しかし、前者はシステムの複雑化を招き、後者は筐体への手の触れ方によっては、刺激子サイズ＝接触面積とならず、狙いの刺激を与えることが困難であるといった課題がある。

図５に示すように、手を載置部１０に載置する場合、手の部位によって接触圧(押し込み荷量)が異なる。また、図６に示すように、手と刺激子が接触した場合、弱い接触圧(押し込み荷量)となる部位では接触面積は小さく、強い接触圧(押し込み荷量)となる部位では、接触面積は大きくなる。

図５に示すように、手のひら中央部は指先部と比較して、知覚感度が低い。このため、図７に示すように、接触面積を大きくなるようにして、空間的加重効果を利用することで、知覚される刺激強度を均一化することができる。

上記のことを実現する方法として、本発明の実施の形態においては、各部位に対応する刺激発生部の弾性体のバネ定数を変更し、押し込み荷重を変化させて接触面積を調整する。例えば、図１（ａ）で示す指先部１１０、指尖球部１１１、手のひら中央部１１２に対応する刺激発生部の弾性体バネ定数を順に、ｋ１，ｋ２、ｋ３（ｋ１＜ｋ２＜ｋ３）とすると、接触面積（順に、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）は、Ｓ１＜Ｓ２＜Ｓ３となる。各刺激発生部によって発生する刺激強度（例えば、振動振幅、温度変化量）を一定としても、空間的加重効果によって、部位によらず均一な刺激と感じることができる。これにより、多点触覚情報呈示において、均一刺激が可能となる。また、指先部、指尖球部、手のひら中央部の刺激発生運動の呈示も違和感なく実現できる。

（電磁アクチュエータ２５）
電磁アクチュエータ２５は、図２に示すように、電磁軟鉄、電磁鋼等により形成されたヨーク部２６と、ヨーク部２６部に取り付けられた永久磁石２７と、から概略構成されている。図２に示すように、磁束Ｂは、例えば、永久磁石２７からヨーク部２６のセンター部２６ａに向かうように発生する。すなわち、永久磁石２７のＮ極側がセンター部２６ａ側に向かって取り付けられている。

図３に示すように、操作者が載置部１０に手１００を載置すると、刺激子２１がバネ４０の付勢力に抗して載置部１０側に押し込まれる。この状態では、手１００には、部位によらず均一な刺激が与えられている。

また、コイル部２２の略中央を磁束Ｂが通り、コイル部２２への通電により、法線方向Ｌ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）にコイル部２２、刺激子２１が駆動される。この刺激子２１の駆動は、制御部３０により行なわれる。

（制御部３０）
制御部３０は、コイル部２２への通電制御等を行なうための、例えばマイクロコンピュータで構成されている。制御部３０は、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに演算、加工などを行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、半導体メモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）などから構成される。また、制御部３０は、コイル部２２への通電を行なうための出力回路部（ドライバ部）を備えることができる。

制御部３０は、複数の電磁アクチュエータ２５に所定の順序で通電制御することにより、上記電磁アクチュエータ２５に対応した刺激子２１を振動させる。制御部３０は、刺激発生部を駆動し、各種電子機器から受け取った情報に合わせた刺激を発生させるように調整する。これにより、ユーザ（操作者）に振動刺激を与え、的確な仮現運動を知覚させることができる。

制御部３０は、図１（ｃ）に示すように各種電子機器、例えば、生体センシング、クリアランスソナー、バックソナー等に接続されている。制御部３０は、これらの電子機器から入力される信号に基づいて、仮現運動の知覚現象により、ユーザ（操作者）に対して、例えば、注意喚起方向を呈示すること等ができる。

（触覚情報呈示装置１の動作例）
操作者が、図１（ａ）に示すように、手１００を載置部１０に載置すると、各突起部２１ａは、それぞれ指先部１１０、指尖球部１１１、手のひら中央部１１２に所定のバネ定数、すなわち、接触圧(押し込み荷量)で当接する。所定のバネ定数は、前記したように、手の部位によって接触圧(押し込み荷量)が異なるようにして、操作者に知覚される刺激強度を均一化している。

制御部３０は、この状態で、手の各部位に対して振動を付与することにより、多点触覚情報呈示を行ない、仮現運動の知覚現象を生じさせる。

図８（ａ）〜（ｃ）は、刺激発生部が発生する刺激としての振動の例を示すもので、図１で示した３つの刺激発生部が順に振動を発生させている状態を示す振動加速度の図である。図８（ａ）に示すように、ｔ０の振動開始からｔ１までの間に、制御部３０は、指先部１１０に対応する電磁アクチュエータ２５において、コイル部２２に例えば正弦波状の駆動信号により、一定の加速度で駆動して加振する。これにより、指先部１１０は振動刺激を受ける。制御部３０は、次に、ｔ１からｔ２までの間に、指尖球部１１１に対応する電磁アクチュエータ２５において、コイル部２２に例えば正弦波状の駆動信号により、一定の加速度で駆動して加振する。これにより、指尖球部１１１は振動刺激を受ける。次に、ｔ２からｔ３までの間に、手のひら中央部１１２に対応する電磁アクチュエータ２５において、コイル部２２に例えば正弦波状の駆動信号により、一定の加速度で駆動して加振する。これにより、手のひら中央部１１２は振動刺激を受ける。なお、指先部１１０、指尖球部１１１、手のひら中央部１１２に対応する駆動信号は、図８（ａ）〜（ｃ）で示すように、駆動信号の切替え時ｔ１、ｔ２、ｔ３の前後において、例えば、１／４山程度の所定期間の重複加振を行なうことが好ましい。

操作者の手１００は、指先部１１０、指尖球部１１１、手のひら中央部１１２の順で振動刺激を受ける。これにより、触覚情報呈示装置１は、操作者に対して、例えば、車両の走行時の安全性に関する情報を呈示することができる。例えば、指先部１１０、指尖球部１１１、手のひら中央部１１２の順で振動刺激を呈示することにより、クリアランスソナーで検知した障害物が前方から接近していることを、仮現運動として知覚させることができる。

（本発明の第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態は、図９に示すように、刺激発生部が３×３のマトリクス配置とされた例である。図９に示すように、指先部１１０、１２０、１３０、指尖球部１１１、１２１、１３１、手のひら中央部１１２、１２２，１３２のそれぞれに対応して、刺激発生部が設けられている。刺激発生部が２次元的に配列されているので、触覚情報呈示装置１が車両に搭載されている場合は、第１の実施の形態の車両の前後方向の振動刺激の呈示に加えて、車両の左右方向に関しても振動刺激の呈示を行なうことができる。

例えば、車線変更時などに斜め後方の確認を支援するブラインドスポットモニターの検知結果に基づいて、図９に示す、手のひら中央部１３２、指尖球部１１１、指先部１２０の順で振動刺激を受けた場合は、後方車が、斜め後方から自車に接近していることを振動刺激で呈示でき、仮現運動として知覚させることができる。

（本発明の第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態における刺激発生部による振動刺激を、温冷刺激に変更した構成である。図１０に示すように、刺激発生部２００は刺激子２２１を有し、刺激子２２１は、高熱伝導の樹脂で形成され、また、刺激子２２１の突起部２２１ａは、操作者の手１００に当接して刺激を与えるために、指よりも小さいサイズであることが好ましい。

第３の実施の形態は、第１の実施の形態と同様に、バネ２４０のバネ定数により、各部位に対応する刺激発生部による多点触覚情報呈示において、均一刺激を可能にしている。また、第３の実施の形態では、振動刺激の代わりに温冷刺激としている。

図１０に示すように、刺激子２２１は温冷刺激を可能とするために、温度制御素子に取り付けられている。温度制御素子は、例えば、ペルチェ（Peltier）素子２２２である。ペルチェ素子２２２は、二つの異種金属または半導体を電気的に直列に接合して直流電流を流した際に、その接合部分でジュール熱以外の吸熱および発熱する現象であるペルチェ効果を利用したものである。ペルチェ素子は、任意数のＰ型とＮ型半導体を交互に銅電極で電気的に直列に接合配列し、この素子に電流を流すと熱の移動が始まり、流す電流を変えることで吸熱面と放熱面を入れ替えることができる。

（制御部３０）
制御部３０は、ペルチェ素子２２２への通電制御等を行なうための、例えばマイクロコンピュータで構成されている。制御部３０は、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに演算、加工などを行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、半導体メモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）などから構成される。また、制御部３０は、ペルチェ素子２２２への通電を行なうための出力回路部（ドライバ部）を備えることができる。

制御部３０は、刺激発生部を駆動し、各種電子機器から受け取った情報に合わせた刺激を発生させるように調整する。制御部３０は、複数のペルチェ素子２２２に所定の順序で通電制御することにより、上記ペルチェ素子２２２に対応した刺激子２２１を加熱、冷却させる。これにより、ユーザ（操作者）に温冷刺激を与え、的確な仮現運動を知覚させることができる。

制御部３０は、第１の実施の形態と同様に、各種電子機器、例えば、生体センシング、クリアランスソナー、バックソナー、ブラインドスポットモニター等に接続されている。制御部３０は、これらの電子機器から入力される信号に基づいて、仮現運動の知覚現象により、ユーザ（操作者）に対して、例えば、注意喚起方向を呈示すること等ができる。

（実施の形態の効果）
本発明の実施の形態によれば、以下のような効果を有する。
（１）本発明の実施の形態に係る触覚情報呈示装置は、操作者の手１００を載置可能な載置部１０と、弾性体に支持された刺激子を備え、載置部１０に搭載され、手１００の少なくとも２か所の部位に対して刺激を与える刺激発生部２０と、刺激発生部を駆動し、各種電子機器から受け取った情報に合わせた刺激を発生させるように調整する制御部３０と、有し、弾性体のバネ定数が均一刺激を実現可能なバネ定数に設定されるように構成されている。各部位に対応する刺激発生部の弾性体のバネ定数を変更し、均一刺激を可能としている。これにより、仮現運動等の触覚呈示を行なう場合、操作者の手に対して均一刺激を可能とすることができる。また、指先部、指尖球部、手のひら中央部の刺激発生運動の呈示も違和感なく実現できる。
（２）本実施の形態に係る触覚情報呈示装置が車両に搭載された場合は、操作者に対して、例えば、車両の走行時の安全性に関する情報を呈示することができる。第１の実施の形態では、車両の前後方向の振動刺激、温冷刺激の呈示により、クリアランスソナー、バックソナー等の検知結果を車両の走行時の安全性に関する情報として、操作者に対して仮現運動として知覚させることができる。
（３）また、第２の実施の形態では、刺激発生部が２次元的に配列されているので、車両の前後方向及び左右方向の振動刺激、温冷刺激の呈示により、ブラインドスポットモニター等の検知結果を車両の走行時の安全性に関する情報として、操作者に対して仮現運動として知覚させることができる。
（４）本実施の形態に係る触覚情報呈示装置は、車両のステアリング、ドアアームレスト、センターコンソール等に配置、搭載することができ、自動運転車にも適用が可能である。

以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。また、これら実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態は、発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…触覚情報呈示装置、１０…載置部、１１…載置部、１２…曲面、１２ａ…表面、１３…開口部稜線、１４…開口部、２０…刺激発生部、２１…刺激子、２１ａ…突起部、２１ｂ…突起ベース部、２１ｃ…上端部、２２…コイル部、２５…電磁アクチュエータ、２６…ヨーク部、２６ａ…センター部、２７…永久磁石、３０…制御部、４０…バネ、４０ａ…一端部、４０ｂ…他端部
１００…手、１１０、１２０、１３０…指先部、１１１、１２１、１３１…指尖球部、１１２、１２２、１３２…手のひら中央部
２００…刺激発生部、２２１…刺激子、２２１ａ…突起部、２２２…ペルチェ素子
Ｂ…磁束、Ｄ…突出量、Ｌ、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３…法線方向

Claims (8)

1. 操作者の手を載置可能な載置部と、
   弾性体に支持された刺激子を備え、前記載置部に搭載され、前記手の少なくとも２か所の部位に対して刺激を与える刺激発生部と、
   前記刺激発生部を駆動し、各種電子機器から受け取った情報に合わせた刺激を発生させるように調整する制御部と、有し、
   前記弾性体のバネ定数が均一刺激を実現可能なバネ定数に設定された、触覚情報呈示装置。
2. 前記制御部は、刺激の強度及びパターンを調整する、請求項１に記載の触覚情報呈示装置。
3. 前記刺激子は、前記載置部の外形の開口部稜線から前記弾性体の付勢により突出しており、前記開口部稜線の法線方向に変位可能とされている、請求項１又は２に記載の触覚情報呈示装置。
4. 前記バネ定数は、知覚感度が低い部位では大きく、知覚感度が高い部位では小さく設定されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の触覚情報呈示装置。
5. 前記刺激発生部は、前記刺激として振動刺激を発生させる、請求項１から４のいずれか１項に記載の触覚情報呈示装置。
6. 前記刺激発生部は、前記刺激として温冷刺激を発生させる、請求項１から４のいずれか１項に記載の触覚情報呈示装置。
7. 前記部位は、前記手の、指先部、指尖球部、手のひら中央部を含む複数の部位である、請求項１から６のいずれか１項に記載の触覚情報呈示装置。
8. 前記載置部は、車両に搭載され、前記制御部は、前記車両の走行時の安全性に関する情報を呈示する、請求項１から７のいずれか１項に記載の触覚情報呈示装置。
   

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