JP7252430B2 - 皮膚感覚提示装置、超音波変調装置及び超音波変調方法 - Google Patents

Description

皮膚感覚（触覚又は触感）とは、人間の体性感覚の一種で、指で物の表面をなぞったときの感覚等が挙げられる。「つるつる」「ざらざら」等の感触表現がその一例である。本発明は、ロボットの遠隔操作、バーチャルリアリティやゲーム機等における、仮想的皮膚感覚を再現する装置や、携帯情報端末（タブレット端末）、家庭用ＰＣ等における触覚情報提示に利用する皮膚感覚提示装置、及びこの皮膚感覚提示装置に用いることが好適な超音波変調装置、更には超音波変調装置を用いた超音波変調方法に関するものである。

バーチャルリアリティやゲームの分野においては、視覚・聴覚・力覚による表現が主流であったが、近年、皮膚感覚による表現の重要性が増してきている。触覚の提示が可能になれば操作感や臨場感の向上が見込まれる。しかし、従来の皮膚感覚提示装置の多くは、盲人用の点字装置としての応用を念頭においたものや、これらの盲人用点字装置の技術に基づいて開発されたものであり、汎用的な触感を再現する皮膚感覚提示装置は、未だ実用化されていない。

凹凸感を再現する皮膚感覚提示装置は、盲人用点字装置をはじめとして古くより多くの研究が行われている。例えば、移動子となる薄膜の上面に導電体層を形成して、導電体層を静電的に吸引して空間的な振動の分布を発生させる皮膚感覚提示装置も提案されている（特許文献１参照。）。人間の皮膚の触感は主に２５００×７５０μｍの卵形をしたパチニ小体、直径２０～４０μｍのマイスナー小体、直径９～１６μｍのメルケル細胞という三つの機械受容器（触感のセンサー）への振動刺激によって知覚されるとされている。ヨハンソン(Johansson)らは人間の指先検知能力をドットパタンの直径が５０μｍmでは６μｍ、５００μｍmでは１μｍmの凸を検出可能としている（非特許文献２参照。）。一般的には、人間が知覚できる範囲の面粗さを構成する凹凸は、小さいものでは数十～数百μｍ程度の間隔で分布していると考えられ、汎用的な触感を提示するにはｍｍ以下のオーダーの位置分解能で刺激を提示できることが望ましい。

パチニ小体、マイスナー小体、メルケル細胞という三つの人間の機械受容器は、それぞれ振動の振幅や周波数、分布の細かさに対する感度が異なる。異なる機械受容器を同時に刺激すれば、脳内で感覚が統合されたときにより豊かな感触となることが知られている。三つの機械受容器を同時に刺激するには、時間的、空間的に広い範囲をカバーできる機械的な振動が必要になる。例えば、皮下組織側にあるパチニ小体の周波数領域は７０～１０００Ｈｚ、表皮側にあるマイスナー小体の周波数領域は１０～２００Ｈｚ、メルケル細胞の周波数領域は０．４～１００Ｈｚとされている。触覚の時間分解能とは２２つの刺激提示時間間隔が短くなった場合にそれが２つであることを区別できる最小時間間隔を指す。時間分解能は、加える刺激の強さによって変化し、強い場合は１０ｍｓ１０ｍｓ程度、弱くすると５０ｍｓ程度との報告がある。又、５秒間で知覚できる連続刺激は９つまでとの報告もある。

いずれにせよ、皮膚感覚提示装置を実現するためには、刺激が指全体に伝わるのではなく、局所的な刺激が指の腹に提示されることが必要である。即ち、現実に皮膚感覚提示装置の面をなぞった際に、指の腹の各部分でそれぞれ異なった微細な刺激が発生することが求められる。皮膚感覚提示装置においては、人間の現実の感覚になるべく近い、紙やすり（サンドペーパ）などのような細かな凹凸が連続的に分布しているテクスチャが皮膚感覚提示装置の接触面に求められる。

指で物の表面をなぞると、表面の微細形状と指紋の相互作用により、人間の指皮膚表面に微小な振動が発生する。その振動を皮膚組織内の神経細胞が検知しその信号が脳に伝達され、なぞり動作に対する応答としてその信号を処理することで、人間は皮膚感覚を受容していると考えられている。その表面形状が紙やすりのようになっていれば「ざらざら感」として知覚される。皮膚感覚提示を実現する方法の一つとして、なぞり動作に応じてこの振動を再現して指皮膚に供給することが有効である。

粗さ感覚の提示に超音波振動により生じるスクイーズ膜効果を利用した方法が提案されている（非特許文献２参照。）。「スクイーズ膜効果」は振動している面に指を近づけた際に、指と振動面の間に、空気（介在流体）の膜がしぼり作用で生じ、それにより摩擦力が減少する現象である。スクイーズ膜効果により、指で物体表面をなぞる際の摩擦力が減少するため、超音波振動をＡＭ変調することで周期的な摩擦力の増減が生じる。これにより、人間はざらざら感を認識する。又、超音波振動子のＡＭ変調において信号波の振幅、即ち変調深度を変化させると振動表面をなぞった際の粗さ感覚の度合が変化することが知られている（非特許文献２参照。）。

しかし、触覚の提示に用いるための超音波振動子の機械的品質係数Ｑ_mが高い場合には、同一の電圧で駆動させると変調周波数が高くなるにつれ振動子が応答できなくなり、その結果として出力される変調深度が低下し、細かい粗さの提示が困難となるという問題があった。「機械的品質係数Ｑ_m」は、振動による弾性損失を表す弾性損失係数tanδ_mの逆数である。

特開２００３－２４８５４０号公報

R.S.ヨハンソン(Johansson）他１名,『本来滑らかな表面上にある単一の凹凸に対する触覚検出の閾値（"Tactile detection thresholds for a single asperity on an otherwise smooth surface"）』、体性感覚研究（Somatosens. Res.）、第１巻、第１号、１９８３年、ｐ２１－３１ 渡辺 敏雄他１名、『超音波振動を用いた表面荒さの触感の制御方法（A Method for Controlling Tactile Sensation of Surface Roughness Using Ultrasonic Vibration）』、 米国電気電子学会：ロボティクスとオートメーションに関する国際会議（IEEE International Conference on Robotics and Automation）、１９９５年、ｐ．１１３４－１１３９。 昆陽雅司他２名、『超音波振動の振幅変調を用いた複合触覚提示法』、日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会講演論文集（ＣＤ-ＲＯＭ）、２００５巻、２００５年、ｐ．１Ｐ１－Ｎ－１０１

上記問題点を鑑み、本発明は、高い変調周波数での機械的振動を実現することが可能な超音波変調装置及び超音波変調方法、更にはこの超音波変調装置を用いた皮膚感覚提示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、(a)対象となる超音波振動系の減衰固有振動数とは異なる値の第１の駆動周波数を算出する駆動周波数算出回路と、(b)第１の駆動周波数の第１の超音波駆動信号が、１周期の内の予め定めた時間に送信され、残余の時間に遮断される周期が繰り返される超音波変調信号を生成する超音波変調信号生成手段と、(c)この超音波変調信号によって駆動される超音波振動子と、(d)この超音波振動子が励起した２種類の超音波を合成してうなりを発生させる干渉板を備える超音波変調装置であることを要旨とする。

本発明の第２の態様は、(a)対象となる超音波振動系の減衰固有振動数とは異なる値の第１の駆動周波数を算出する駆動周波数算出回路と、(b)第１の駆動周波数の第１の超音波駆動信号が、１周期の内の予め定めた時間に送信され、残余の時間に遮断される周期が繰り返される超音波変調信号を生成する超音波変調信号生成手段と、(c)この超音波変調信号によって駆動される超音波振動子と、(d)この超音波振動子が励起した２種類の超音波を合成してうなりを発生させる干渉板を備える皮膚感覚提示装置であることを要旨とする。第２の態様に係る皮膚感覚提示装置においては、干渉板の表面に指を接触させることにより、干渉板の表面を皮膚の感触表現を提示する皮膚感覚提示面としている。

本発明の第３の態様は、(a)対象となる超音波振動系の減衰固有振動数とは異なる値の第１の駆動周波数を算出するステップと、(b)第１の駆動周波数の第１の超音波駆動信号が、１周期の内の予め定めた時間に送信され、残余の時間に遮断される周期が繰り返される超音波変調信号を生成するステップと、(c)この超音波変調信号によって超音波振動子を駆動するステップと、(d)干渉板上において、超音波振動子が励起した２種類の超音波を合成してうなりを発生させるステップを含む超音波変調方法であることを要旨とする。

本発明によれば、高い変調周波数での機械的振動を実現することが可能な超音波変調装置及び超音波変調方法、更にはこの超音波変調装置を用いた皮膚感覚提示装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る皮膚感覚提示装置の主要部の概略を説明するための模式図である。 第１実施形態に係る皮膚感覚提示装置のカバーガラス（干渉板）の下面に複数の超音波素子を配列して、カバーガラスの上面を皮膚の感触表現を提示する皮膚感覚提示面にした構造を説明する模式的な鳥瞰図（斜視図）である。 第１実施形態に係る皮膚感覚提示装置の演算制御回路を含むコンピュータシステムの主要なハードウェア資源を説明する概略図である。 第１実施形態に係る皮膚感覚提示装置に適用される超音波変調の基礎実験に用いたボルト締めランジュバン型振動子の概略の構造を説明する側面図である。 図５（ａ）は、図４に示したボルト締めランジュバン型振動子の電極板に入力される電気信号の電気的特性で、図５（ｂ）は、振動計で測定したボルト締めランジュバン型振動子の機械的特性の測定結果を示す。 図６（ａ）は、図４に示したボルト締めランジュバン型振動子に印加される電圧をＡＭ変調した場合の電圧波形の時間変化を示し、図６（ｂ）は、図６（ａ）の印加電圧をボルト締めランジュバン型振動子に印加した場合に現れると期待（予定）される振動振幅の時間変化を示す。 振動計で測定したボルト締めランジュバン型振動子の振動速度の時間変化が、振動計で測定したボルト締めランジュバン型振動子の駆動電圧の時間変化に追随できないことを説明する図面である。 図８（ａ）はボルト締めランジュバン型振動子に印加されるＡＭ変調された印加電圧を示し、図８（ｂ）は図８（ａ）のようなＡＭ変調された電圧が印加さえた場合に、ボルト締めランジュバン型振動子の振動板の振動面に現れる振動を振動計が測定した振動振幅の時間変化を示す図である。 第１実施形態に係る皮膚感覚提示装置に適用される超音波変調における減衰固有振動数ｆ_dと駆動周波数ｆ₁，ｆ₂（ｆ₁＜ｆ_d＜ｆ₂）の関係を説明する概念図である。 第１実施形態に係る皮膚感覚提示装置の周波数変調（ＦＭ変調）における、動作周波数の時間変化を説明する図である。 図１１（ａ）は駆動周波数ｆ₂の成分が減衰する過渡状態の振動を説明する図で、図１１（ｂ）は駆動周波数ｆ₁の成分が立ち上がる過渡状態の振動を説明する図で、図１１（ａ）と図１１（ｂ）の過渡状態が互いに干渉することによりうなりが発生することを説明している。 第１実施形態に係る皮膚感覚提示装置の振動発生系を、集中定数系のケルビン・フォークトモデルで説明する模式図である。 図１３（ａ）は自由振動の変位ｘ_h（ｔ）の時間変化を説明する図で、図１３（ｂ）は定常振動の変位ｘ_p（ｔ）の時間変化を説明する図である。 第１実施形態に係る皮膚感覚提示装置において、図１４（ａ）に示すような自由振動と図１４（ｂ）に示すような定常振動を重ね合わせると、図１４（ｃ）に示すようなうなりが発生することを説明する図である。 図１５（ａ）はうなりの測定結果としての振幅の時間変化を説明する図で、図１５（ｂ）はうなりの解析結果としての振幅の時間変化を説明する図である。 第１実施形態に係る皮膚感覚提示装置において、振動発生器に印加される駆動電流の時間変化と振動板の振動速度の時間変化の関係を説明する図である（２つの駆動周波数の差Δｆ＝２００Ｈｚ、切替周波数ｆ_s＝１００Ｈｚ）。 第１実施形態に係る皮膚感覚提示装置において、振動発生器に印加される駆動電流の時間変化と振動板の振動速度の時間変化の関係を説明する図である（２つの駆動周波数の差Δｆ＝１．７ｋＨｚ、切替周波数ｆ_s＝３７０Ｈｚ）。 本発明の第２実施形態に係る皮膚感覚提示装置の演算制御回路を含むコンピュータシステムの主要なハードウェア資源を説明する概略図である。 図１９（ａ）は、第２実施形態に係る皮膚感覚提示装置に適用されるオン状態とオフ状態を交互に周期的に切り替えるバースト駆動を説明する図で、 図１９（ｂ）は、比較のために、第１実施形態に係る皮膚感覚提示装置の周波数変調（ＦＭ変調）を説明する図である。 図２０の上段は、第２実施形態に係る皮膚感覚提示装置のバースト駆動を説明する図で、図２０の下段は、ボルト締めランジュバン型振動子の圧電素子が図２０の上段に示すようにバースト駆動された場合に、ボルト締めランジュバン型振動子の振動板に発生する振動速度の測定結果を示す図である。 図２０の測定から得られたうなりの１周期をオン時間とし、オフ時間をオン時間より短い任意の値に設定してバースト駆動された場合に、ボルト締めランジュバン型振動子の振動板に発生する振動速度の測定結果を示す図である。 第２実施形態に係る皮膚感覚提示装置において、ボルト締めランジュバン型振動子の圧電素子に印加される正弦波駆動信号が、うなりの１周期内でオン／オフが切り替られる場合の振動速度の測定結果を示す図である。 図２０～図２２との比較のために、第１実施形態に係る皮膚感覚提示装置のＦＭ変調による振動速度の測定結果を示す図である。 第２実施形態に係る皮膚感覚提示装置の説明の図２１に対応し、図２３で得られたうなりの１周期で２つの駆動周波数を切り替えた場合の振動速度の測定結果を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る皮膚感覚提示装置に用いられる弾性表面波を往復運動させるファブリペロー共振器の主要部の概略を説明するための模式図である。 図２５に示された弾性表面波伝送経路を往復する弾性表面波のコンダクタンスとサセプタンスの周波数に対する変化を示す図である。 第３実施形態に係る皮膚感覚提示装置の弾性表面波の場合であっても、うなりが発生することを説明する図である。

次に、図面を参照して、本発明の第１～第３実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

又、以下に示す第１～第３実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る皮膚感覚提示装置は、図１に模式的に例示するように、上部に空洞部を有する基体（ベース）１０と、基体１０の空洞部に配置されたインセル型のタッチパネル基板１１と、基体１０の空洞部を閉じるように、タッチパネル基板１１の上方に配置されたカバーガラス１４を備える携帯情報端末の構造を提示装置本体（１０，１１，１４）を物理的構造の基礎としている。インセル型のタッチパネル基板１１には、例えば、液晶ディスプレイを構成している薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の多層積層構造内に静電容量方式タッチパネルの機構が組み込まれている。カバーガラス１４は２種類の超音波を合成して「うなり」を発生させる「干渉板」の機能をなしているが、カバーガラス１４の表面（上面）は、この表面に指を接触させることにより、「つるつる」「ざらざら」等の皮膚の感触表現を提示する皮膚感覚提示面をなしている。

図２（ａ）に示すように、カバーガラス１４の下面には、複数の超音波素子１２_-1，１２_-2，１２_-3，……１２_-i，１２_-(i+1)，……がそれぞれ平行な配列で周期的に接合されている点が、通常の携帯情報端末に用いられているカバーガラスとは異なる。なお、 図２（ｂ）に示すように、複数の超音波素子１２_i,j，（ｉ＝１～ｍ；ｊ＝１～ｎ：ｍ，ｎは２以上の正の整数）をマトリクス状に配置して、カバーガラス１４の下面に接合して携帯情報端末の一部として組み込んでもよい。

図１の模式的表現では、簡略化のために図示を省略しているが、基体１０は、携帯情報端末を構成する筐体とこの筐体の内部に収納された電子回路基板、電池、通信装置等を含む。更に、基体１０には外部回路（２１，２２ａ，２３ａ）と複数の超音波素子１２_-1，１２_-2，１２_-3，……１２_-i，１２_-(i+1)，……を接続するインターフェイス２４が含まれている。

図１に概略を簡略化して示すように、外部回路（２１，２２ａ，２３ａ）は超音波を変調する信号を生成する演算制御回路２３ａと、演算制御回路２３ａに接続されたデータ記憶装置である表示情報記憶装置２１と、演算制御回路２３ａから出力された超音波変調信号を増幅するアンプ２２ａを有する。より詳細には、図３に示すように演算制御回路２３ａは、対象となる超音波振動系の減衰固有振動数ｆ_dを格納し減衰固有振動数ｆ_dを駆動周波数算出回路２３２ａに供給する減衰固有振動数記憶装置２３９と、減衰固有振動数ｆ_dとは異なる値となるように２つの駆動周波数ｆ₁，ｆ₂（図９参照。ｆ₁ ＜ ｆ_d ＜ ｆ₂）を算出する駆動周波数算出回路２３２ａと、切替周波数ｆ_sを算出する切替周波数算出回路２３１と、駆動周波数算出回路２３２ａが算出した２つの駆動周波数ｆ₁，ｆ₂を、切替周波数ｆ_sで切り替える切替手段（コマンド送信回路）２３３と、切替周波数ｆ_sで切り替えた駆動周波数ｆ₁，ｆ₂を合成して超音波変調信号を生成し、生成された超音波変調信号をアンプ２２ａに出力するダイレクトディジタルシンセサイザ２３４を含む。

図３に示す構成において、駆動周波数算出回路２３２ａは第１の駆動周波数ｆ1及び第２の駆動周波数ｆ2を算出する。そして、切替周波数算出回路２３１、コマンド送信回路２３３及びダイレクトディジタルシンセサイザ２３４によって、本発明の「超音波変調信号生成手段」を構成している。この超音波変調信号生成手段は、第１の駆動周波数ｆ1の第１の超音波駆動信号が、図１０に示したように、１周期の内の予め定めた時間に送信され、残余の時間に遮断される周期を繰り返すようにするとともに、第２の駆動周波数ｆ2の第２の超音波駆動信号が、第１の超音波駆動信号が送信される時間に遮断され、第１の超音波駆動信号が遮断される時間に送信されるように、第１の超音波駆動信号と第２の超音波駆動信号を相補的に切り替えて超音波変調信号を生成する。

ダイレクトディジタルシンセサイザ２３４は、加算器とラッチでアキュムレータを構成し、クロックに同期して周波数設定値を累積し、周波数設定値に比例した速度のノコギリ波状のディジタルデータを得る。このデータは、出力波形の位相に相当し、波形データが書き込まれたＲＯＭのアドレスとして使用する。このＲＯＭの出力をＤＡコンバータでアナログ信号に変換して超音波変調信号をアナログ信号として出力する。

図３の演算制御回路２３ａの切替周波数算出回路２３１、駆動周波数算出回路２３２ａ、コマンド送信回路２３３等の少なくとも一部を構成するハードウェア資源には、マイクロチップとして実装されたマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）等を使用してコンピュータシステムを構成することが可能であるが、第１実施形態に係る皮膚感覚提示装置が携帯情報端末の内部に含まれる場合であれば、図１の基体１０の内部に組み込まれた電子回路基板に実装された半導体集積回路を用いることができる。図１の基体１０の内部に組み込まれた電子回路基板に実装された半導体集積回路を用いることができる。

又、コンピュータシステムを構成する演算制御回路２３ａとして、算術演算機能を強化し信号処理に特化したディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）や、メモリや周辺回路を搭載し組込み機器制御を目的としたマイクロコントローラ（マイコン）等を用いてもよく、図１の基体１０の内部に組み込まれたＤＳＰやマイコンであってもよい。或いは、現在の汎用コンピュータのメインＣＰＵを演算制御回路２３ａに用いてもよい。更に、演算制御回路２３ａの切替周波数算出回路２３１、駆動周波数算出回路２３２ａ、コマンド送信回路２３３の少なくとも一部のハードウェア資源をフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）のようなプログラマブル・ロジック・デバイス（ＰＬＤ）で構成してもよい。

ＰＬＤによって、演算制御回路２３ａの一部又はすべてを構成した場合は、表示情報記憶装置２１は、ＰＬＤを構成する論理ブロックの一部に含まれるメモリブロック等のメモリ要素として構成することができる。更に、演算制御回路２３ａは、ＣＰＵコア風のアレイとＰＬＤ風のプログラム可能なコアを同じチップに搭載した構造でもよい。このＣＰＵコア風のアレイは、予めＰＬＤ内部に搭載されたハードマクロＣＰＵと、ＰＬＤの論理ブロックを用いて構成したソフトマクロＣＰＵを含む。つまりＰＬＤの内部においてソフトウェア処理とハードウェア処理を混在させた構成でもよい。図３に示すように演算制御回路２３ａは、データバス２９を介してデータ記憶装置である表示情報記憶装置２１及びプログラム記憶装置２０と情報のやりとりを行う。更に、入力装置２５からの信号がデータバス２９を介して表示情報記憶装置２１に格納される。

図３に示した入力装置２５はキーボード、マウス、ライトペン又はフレキシブルディスク装置などで構成できるが、図１のように、携帯情報端末の超音波素子１２_-1，１２_-2，１２_-3，……１２_-i，１２_-(i+1)，……が発生する超音波を変調する場合は、携帯情報端末のキーボードやタッチパネルを用いることができる。通常のコンピュータシステムであれば、図３に示したハードウェアの構成には出力部や表示部が更に備えられてもよい。通常のコンピュータシステムの出力部や表示部は、それぞれプリンタ装置及びディスプレイ装置等により構成できるが、第１実施形態に係る皮膚感覚提示装置が携帯情報端末に含まれる場合であれば、図１に示したインセル型のタッチパネル基板１１の液晶ディスプレイを、出力部や表示部として用いることができる。そして、表示部に、超音波素子１２_-1，１２_-2，１２_-3，……１２_-i，１２_-(i+1)，……が発生する超音波の変調に必要な入力データ、演算制御回路２３ａの解析結果や制御パラメータ等を表示させることも可能である。

図３に示した表示情報記憶装置２１及びプログラム記憶装置２０は、例えば、一般的なコンピュータシステムの外部メモリ装置、半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、磁気テープなどのプログラムを記録することができるような媒体などが対応する。具体的には、フレキシブルディスク、ＣＤ－ＲＯＭ，ＭＯディスク、カセットテープ、オープンリールテープなどが表示情報記憶装置２１及びプログラム記憶装置２０に用いられるコンピュータ読取り可能な記録媒体に含まれるが、第１実施形態に係る皮膚感覚提示装置が携帯情報端末に含まれる場合であれば、携帯情報端末に内蔵される半導体メモリ等が採用可能である。例えば、図３に示すコンピュータシステムの表示情報記憶装置２１は、複数のレジスタ、複数のキャッシュメモリ、主記憶装置、補助記憶装置を含む一群の内から適宜選択された任意の組み合わせとすることも可能である。又、キャッシュメモリは１次キャッシュメモリと２次キャッシュメモリの組み合わせとしてもよく、更に３次キャッシュメモリを備えるヒエラルキーを有しても構わない。

図３に示した演算制御回路２３ａの本体は、例えば、フレキシブルディスク装置（フレキシブルディスクドライブ）及び光ディスク装置（光ディスクドライブ）を内蔵若しくは外部接続するように構成してもよい。フレキシブルディスクドライブに対してはフレキシブルディスクを、又光ディスクドライブに対してはＣＤ－ＲＯＭをその挿入口から挿入し、所定の読み出し操作を行うことにより、これらの記録媒体に格納されたプログラムを演算制御回路２３ａに接続されたプログラム記憶装置２０にインストールすることができる。又、所定のドライブ装置を接続することにより、例えばゲームパック等に利用されているメモリ装置としてのＲＯＭや、磁気テープ装置としてのカセットテープを表示情報記憶装置２１及びプログラム記憶装置２０として用いることもできる。更に、インターネット等の情報処理ネットワークを介して、演算制御回路２３ａの処理に必要なプログラムをプログラム記憶装置２０に格納することが可能である。

第１実施形態に係る皮膚感覚提示装置に適用される超音波変調の基礎実験に用いたボルト締めランジュバン型振動子（以下において「振動発生器」という。）は、図４に示すように２つの圧電素子４４３，４４５が、電極板４４ａ，４４ｂを挟んで、金属ブロック４４２と金属ブロック４４６の間に挟み込まれた構造である。直径３０ｍｍの金属ブロック４４２と金属ブロック４４６の間に、直径３０ｍｍの圧電素子４４３，４４５を挟み込むために、貫通ボルト４４７で締めつけている。圧電素子４４３，４４５を２つの金属ブロック４４２，４４６で挟んだサンドイッチ構造とすることで全長をかせぎ，低い共振周波数、例えば２８ｋＨｚで共振するようにしている。

図４に示した発振器４４ｃには共振周波数追従装置を用い、常に超音波振動発生手段４４の共振周波数となるように、電極板４４ａ，４４ｂを電源４４ｃで駆動することで圧電素子４４３，４４５の最大の振動振幅を得るようにするのが好ましい。金属ブロック４４２にはホーン部４５が接合され、超音波振動発生手段４４が発生した機械的振動はホーン部４５に印加される。ホーン部４５は、 機械的品質係数を高くするために、有限要素法解析により設計し、ホーン部４５と金属ブロック４４２とが一体化されている。

機械的品質係数の減少を避けるために、例えばポリウレタン等の高分子の樹脂製のシート４９上に振動発生器を置くことが望ましい。ホーン部４５の端面（図４において左側の面）には振動板４６が設けられ、振動板４６の振動面には、図示を省略したレーザドップラ振動速度計（以下において「振動計」という。）から出射されたレーザ光が、図４の左側方向から照射されて、振動板４６の振動が計測される。図４の表現では、振動板４６とホーン部４５が別体である印象を与えるが、振動板４６とホーン部４５とは一体となるように、切削加工等で構成できる。振動計に備えられているレーザ光の光源には、例えばヘリウム・ネオン（Ｈｅ－Ｎｅ）レーザを用いることができる。図１に示した皮膚感覚提示装置においては、カバーガラス１４が２種類の超音波を合成してうなりを発生させる干渉板の機能をなしていたが、図４に示す振動発生器の構成では、振動板４６が２種類の超音波を合成してうなりを発生させる干渉板の機能をなしている。

図５（ａ）は、図４に示した振動発生器の電極板４４ａ，４４ｂに入力される電気信号の電気的特性で、図５（ｂ）は、振動計で測定した振動発生器の機械的特性の測定結果を示す。図５（ａ）の横軸は周波数で、実線は左縦軸（左側の縦軸）に対応するコンダクタンスＧの周波数に対する変化を、破線は右縦軸（右側の縦軸）に対応するサセプタンスＢの周波数に対する変化を示す。図５（ｂ）の横軸も周波数で、図５（ｂ）の実線は左縦軸に対応する振動速度の周波数に対する変化を、破線は右縦軸に対応する位相の周波数に対する変化を示す。

図６（ａ）は、振動発生器の印加電圧をＡＭ変調した場合の電圧波形の時間変化を示す。図６（ｂ）は、図６（ａ）の印加電圧を振動発生器に印加した場合に現れると期待される振動振幅の時間変化を示す。しかしながら、図７に示すように振動速度の時間変化は駆動電圧の時間変化に追随できない。図７の横軸は時間を示し、左縦軸は振動発生器の駆動電圧である。図７の右縦軸は振動計で測定した振動速度を示す。振動発生器の駆動電圧をオン状態からオフ状態にすると、細かな○印の分布で示したように、振動速度の時間変化は駆動電圧の時間変化に追随できず、遅延が発生していることが分かる。

このため、図８（ａ）のようなＡＭ変調した印加電圧を振動発生器に印加した場合に、図４に示した振動板４６の振動面に現れる振動を振動計で測定すると、その振動振幅の時間変化は、図８（ｂ）のようになる。このことは、触覚の提示に用いるための超音波振動子の機械的品質係数が高い場合には、同一の電圧で駆動させると変調周波数が高くなるにつれ、振動子が応答できなくなることを示している。その結果として皮膚感覚提示装置に出力される変調深度が低下し、皮膚感覚提示装置が細かい粗さを提示することが困難となる。

そこで、第1実施形態に係る皮膚感覚提示装置では、図４に示した振動発生器の系の減衰固有振動数ｆ_dとした場合において、図９に示すように、圧電素子４４３，４４５を減衰固有振動数ｆ_dとは異なる駆動周波数ｆ₁，ｆ₂（ｆ₁ ＜ ｆ_d ＜ ｆ₂）で駆動することで、駆動直後に図１６及び図１７に示すように、うなりを伴いながら振動が生じる現象を利用する。減衰固有振動数ｆ_dは、図４の振動発生器の系の減衰固有振動数を予め測定して、図３に示した演算制御回路２３ａに内蔵された減衰固有振動数記憶装置２３９に格納しておく。

図１０は、演算制御回路２３ａの駆動周波数算出回路２３２ａが算出した駆動周波数ｆ₁，ｆ₂が、切替周波数算出回路２３１が算出した切替周波数ｆ_sで切り替えられる周波数変調（ＦＭ変調）の様子を示している。切替周波数算出回路２３１が算出した切替周波数ｆ_sは、コマンド送信回路２３３に入力され、コマンド送信回路２３３は図１０に示すように、１周期の内の予め定めた時間の経過後の時刻ｔ₁で駆動周波数ｆ₂を駆動周波数ｆ₁に切り替え、時刻ｔ₂で駆動周波数ｆ₁を駆動周波数ｆ₂に切り替える。コマンド送信回路２３３は更に時刻ｔ₃で駆動周波数ｆ₂を駆動周波数ｆ₁に切り替え、時刻ｔ₄で駆動周波数ｆ₁を駆動周波数ｆ₂に切り替える、……というように、切替周波数算出回路２３１の算出した切替周波数ｆ_sを用いて、演算制御回路２３ａのコマンド送信回路２３３が駆動周波数ｆ₁，ｆ₂を周期的に切り替える。

図１１（ａ）は、時刻ｔ₁で駆動周波数を切り替え、駆動周波数ｆ₂をオフとしたときの駆動周波数ｆ₂の成分が減衰し、減衰固有振動数ｆ_dである残留振動数ｆ_rに収束して行く過渡現象を示している。図１１（ｂ）は、時刻ｔ₁で駆動周波数ｆ₁をオンにして駆動周波数を切り替えたときの駆動周波数ｆ₁の成分が減衰固有振動数ｆ_d（＝残留振動数ｆ_r）の振動から立ち上がる過渡現象を示している。図１１（ａ）に示した駆動周波数ｆ₂の成分が減衰する過渡状態の振動と、図１１（ｂ）に示した駆動周波数ｆ₁の成分が立ち上がる過渡状態の振動が、図４に示した振動発生器の系で重畳して互いに干渉することにより、図１１（ａ）の一部と図１１（ｂ）の一部を囲む縦長の矩形の領域の時間帯の波が合成され、振動発生器の振動板４６の振動にうなりが発生する。

そこで、第１実施形態に係る皮膚感覚提示装置の超音波変調に用いる振動発生器の系を、図１２に示したような重り（質点）６１の質量ｍ、バネ６３のバネ定数ｋ、ダッシュポット（粘性体）６２の粘性抵抗（粘性減衰係数）ｃの集中定数系の力学モデル（ケルビン・フォークトモデル）で考える。質量ｍの質点６１に減衰比ξ＝ｃ/ｃ₀、外力Ｆ₀sinωｔで強制振動を与える場合の時刻ｔにおける質点６１の自由振動の変位ｘ_h（ｔ）は、図１３（ａ）に示すようにｘ_h（ｔ）＝Ｘ₀exp（－ξω_dｔ)sin（ω_dｔ+θ）で表せる。ここで減衰比ξを定義する臨界粘性減衰係数ｃ₀＝２（ｍｋ）^1/2である。

又、質量ｍの質点６１に外力Ｆ₀sinωｔで強制振動を与える場合の質点６１の定常振動の変位ｘ_p（ｔ）は、定常振動の振幅をＸとして、図１３（ｂ）に示すように、ｘ_p（ｔ）＝Ｘsin（ωｔ－φ）で表せる。即ち、図１２に示した集中定数系における質点６１の変位ｘ（ｔ）は、自由振動の変位ｘ_h（ｔ）と定常振動の変位ｘ（ｔ）の重ね合わせで表せるので、以下の式（１）で示される：

ｘ（ｔ）＝Ｘ₀exp（－ξω_dｔ)sin（ω_dｔ+θ）＋Ｘsin（ωｔ－φ）……（１）

初期条件がｘ（ｔ）＝０，ｄｘ（ｔ）/ｄｔ＝０で与えられるときξ²≒０とすると式（１）の定数φ，θ，Ｘ₀は、それぞれ以下の式（２），（３），（４）で与えられる：

φ＝tan^-1（２ξω_dω/（ω_d ²－ω²）） ……（２）
θ＝tan^-1（ω_dtanφ/（ξω_dtanφ－ω）） ……（３）
Ｘ₀＝Ｘ（sin²φ＋（ξsinφ－（ω/ω_d）cosφ）²）^1/2 ……（４）

式（２），（３），（４）より、発生するうなりは自由振動と定常振動の周波数の差が要因であると捉えることができる。即ち、図１４（ａ）に示すような自由振動と図１４（ｂ）に示すような定常振動を重ね合わせると、図１４（ｃ）に示すようなうなりが発生することが分かる。図１４（ａ）～（ｃ）の横軸は時間で、図１４（ａ）～（ｃ）の縦軸はそれぞれ自由振動の振幅、定常振動の振幅、うなりの振幅である。

図１５（ａ），（ｂ）の横軸は時間で、図１５（ａ），（ｂ）の縦軸はそれぞれうなりの測定結果の振幅及びうなりの解析結果の振幅である。図１８（ｂ）に示すように、うなりの節から節をうなりの周波数ｆ_Ｂとしたとき、うなりの周波数ｆ_Ｂは_、以下の式（５）で解析できる：

ｆ_Ｂ＝（１/（２π））|ω_d－ω| ……（５）

図１６の横軸は時間を示し、左縦軸は振動発生器の駆動電流を示す。図１６の右縦軸は振動計で測定した振動速度である。駆動周波数算出回路２３２ａが算出した駆動周波数ｆ₂と駆動周波数ｆ₁の差Δｆ＝ｆ₂－ｆ₁＝２００Ｈｚ、切替周波数算出回路２３１が算出した切替周波数ｆ_s＝１００Ｈｚのときの振動発生器に印加される駆動電流の時間変化に対し、振動板４６の振動速度の時間変化が追随していることが分かる。同様に図１７の横軸も時間を示し、左縦軸は振動発生器の駆動電流を示す。図１７の右縦軸は振動計で測定した振動速度である。駆動周波数ｆ₂と駆動周波数ｆ₁の差Δｆ＝１，７００Ｈｚ、切替周波数ｆ_s＝３７０Ｈｚのときの振動発生器に印加される駆動電流の時間変化に、振動板４６の振動速度の時間変化が追随していることが分かる。

以上のように、本発明の第１実施形態に係る皮膚感覚提示装置によれば、切替周波数ｆ_s＝１００～３７０Ｈｚ程度まで高くなっても、 振動発生器に印加する駆動電流の時間変化によって、振動板４６に発生する機械的振動を変調でき、高い変調周波数で変調された超音波振動子の機械的振動を実現できる。このため、第１実施形態に係る皮膚感覚提示装置によれば、細かなうなりを発生させることで、細かなざらざら感を提示することができる。

（第２実施形態）
図示を省略しているが、本発明の第２実施形態に係る皮膚感覚提示装置のシステム構成は、既に図１に模式的に例示した構造と同様に、上部に空洞部を有する基体１０と、基体１０の空洞部に配置されたインセル型のタッチパネル基板１１と、基体１０の空洞部を閉じるように、タッチパネル基板１１の上方に配置されたカバーガラス（干渉板）１４を備える携帯情報端末と同様な構造を提示装置本体（１０，１１，１４）の物理的な構造としている。

しかしながら、図１８に示すように、第２実施形態に係る皮膚感覚提示装置の演算制御回路２３ｂは、図３に示した演算制御回路２３ａのハードウェア構成とは異なる。第２実施形態に係る皮膚感覚提示装置の演算制御回路２３ｂは、オン状態とオフ状態を交互に周期的に切り替えるバースト周波数ｆ_bを算出するバースト周波数算出回路２３５と、駆動周波数ｆを算出する駆動周波数算出回路２３２ｂと、駆動周波数算出回路２３２ｂが算出した駆動周波数ｆを、バースト周波数ｆ_bでオン・オフする制御信号を発生する切替手段（制御信号発生回路）２３６と、駆動周波数ｆの超音波発生信号を生成し、生成された超音波発生信号をアンプ２２ｂにアナログ信号として出力するダイレクトディジタルシンセサイザ２３４と、減衰固有振動数ｆ_d（＝（１/２π）ω_d）を格納し、減衰固有振動数ｆ_dを駆動周波数算出回路２３２ｂに供給する減衰固有振動数記憶装置２３９を含む。

周期性をもって電圧印加のオン状態とオフ状態を交互に切り替える１セットを与える時間（１／Ｔ_b）の逆数が、バースト周波数算出回路２３５が算出するバースト周波数ｆ_bになる。アンプ２２ｂは、ダイレクトディジタルシンセサイザ２３４から出力された超音波発生信号を、制御信号発生回路２３６からの制御信号でオン・オフしながら増幅し、図１と同様な構造の基体１０に内蔵されたインターフェイス２４に出力する。

図１８に示すシステム構成において、バースト周波数算出回路２３５、制御信号発生回路２３６、ダイレクトディジタルシンセサイザ２３４及びアンプ２２ｂが、本発明の「超音波変調信号生成手段」を構成している。超音波変調信号生成手段は、図１９（ａ）に示すように、駆動周波数の超音波駆動信号が、１周期の内の予め定めた時間に送信され、残余の時間に遮断される周期が繰り返される超音波変調信号を生成する。

演算制御回路２３ａのバースト周波数算出回路２３５、駆動周波数算出回路２３２ｂ、制御信号発生回路２３６の少なくとも一部のハードウェア資源の構成をＭＰＵやＰＬＤで構成してもよいが、第２実施形態に係る皮膚感覚提示装置が携帯情報端末の内部に含まれる場合であれば、携帯情報端末電子回路基板に実装された半導体集積回路を用いることができる。図１８に示すように演算制御回路２３ｂは、データバス２９を介してデータ記憶装置である表示情報記憶装置２１及びプログラム記憶装置２０と情報のやりとりを行う。更に、入力装置２５からの信号がデータバス２９を介して表示情報記憶装置２１に格納される。

図１８に示した表示情報記憶装置２１及びプログラム記憶装置２０は、例えば、一般的なコンピュータシステムの外部メモリ装置、半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、磁気テープなどのプログラムを記録することができるような媒体などが対応する。例えば、図１８に示すコンピュータシステムの表示情報記憶装置２１は、複数のレジスタ、複数のキャッシュメモリ、主記憶装置、補助記憶装置を含む一群の内から適宜選択された任意の組み合わせとすることも可能である。又、キャッシュメモリは１次キャッシュメモリと２次キャッシュメモリの組み合わせとしてもよく、更に３次キャッシュメモリを備えるヒエラルキーを有しても構わない。

図１９（ａ）は、バースト周波数算出回路２３５、制御信号発生回路２３６、ダイレクトディジタルシンセサイザ２３４及びアンプ２２ｂが構成する本発明の「超音波変調信号生成手段」が、オン状態とオフ状態を交互に周期的に切り替えるバースト周波数変調（オン・オフ駆動）の様子を示している。即ち、演算制御回路２３ｂの駆動周波数算出回路２３２ｂが算出した駆動周波数ｆが、バースト周波数算出回路２３５が算出したバースト周波数ｆ_bを用いて、オン状態とオフ状態を交互に周期的に切り替えられて、バースト周波数変調（オン・オフ駆動）されている様子を示している。

即ち、１周期の内の予め定めた時間の経過後の時刻ｔ₁において駆動周波数ｆの超音波駆動信号が遮断され、時刻ｔ₂において超音波駆動信号が送信され、時刻ｔ₃において超音波駆動信号が遮断され、時刻ｔ₄において超音波駆動信号が送信され、時刻ｔ₅において超音波駆動信号が遮断され、時刻ｔ₆において超音波駆動信号が送信され、……というオン・オフの周期が繰り返される。バースト周波数算出回路２３５が算出したバースト周波数ｆ_bは、制御信号発生回路２３６に入力され、制御信号発生回路２３６は図１９（ａ）に示すように、バースト周波数ｆ_bを用いてアンプ２２ｂをオン・オフ駆動する。この結果、アンプ２２ｂは、演算制御回路２３ｂのダイレクトディジタルシンセサイザ２３４が出力した駆動周波数ｆの正弦波駆動信号のオン状態とオフ状態を交互に周期的に切り替える。

図１９（ｂ）は、比較のために、第１実施形態に係る皮膚感覚提示装置の演算制御回路２３ｂの駆動周波数算出回路２３２ａが算出した駆動角周波数ω₁，ω₂が、切替周波数算出回路２３１が算出した切替周波数ｆ_sで切り替えられる周波数変調（ＦＭ変調）の様子を示しており、第１実施形態で説明した図１０と等価な波形である。図１９（ｂ）のＦＭ変調では２つの駆動角周波数ω₁，ω₂を切替周波数ｆ_sで交互に切り替えているが、第２実施形態に係る皮膚感覚提示装置では図１９（ａ）に示すように、単一の駆動角周波数ωの正弦波駆動信号のオン状態とオフ状態を交互に周期的に切り替えるバースト駆動をしていることが分かる。

図２０の上段の矩形パルスは、図４に示した振動発生器の圧電素子４４３，４４５に印加される正弦波駆動信号を約３０ｍｓ毎に、オン状態とオフ状態を交互に周期的に切り替える矩形波による変調を示す。振動発生器の系が有する減衰固有角周波数ω_dとは異なる正弦波駆動信号として、圧電素子４４３，４４５には減衰固有振動数ω_dよりも２π×２００ラジアン/秒低い駆動角周波数ω＝ω_d－２π２００の正弦波駆動信号を変調し、オン状態とオフ状態を切り替えて矩形波として印加される。図２０の下段は、圧電素子４４３，４４５が図２０の上段に示すようにバースト駆動された場合に、振動発生器の振動板４６に発生する機械的振動の振動速度を振動計で測定した場合の測定結果を示す。圧電素子４４３，４４５に印加される矩形波がオン状態になった直後にうなりが発生し、オフ状態になった直後に減衰振動となる。図２０の下段に示すように、圧電素子４４３，４４５に印加される正弦波駆動信号がオン状態のときにＴ_b＝１／ｆ_b＝５ｍｓ程度のうなりが７回繰り替えされていることが分かる。

図２１の上段の矩形パルスは、図２０の下段の測定から得られたＴ_b＝１／ｆ_b＝５ｍｓのうなりの１周期をオン時間とし、オフ時間をオン時間より短い任意の値に設定して、バースト駆動した場合の電気信号の時間変化を示す。図２０と同様に、圧電素子４４３，４４５に、オン時間において駆動角周波数ω＝ω_d－２π２００の正弦波駆動信号が印加される。図２１の下段は、圧電素子４４３，４４５が図２１の上段に示すようにバースト駆動された場合に、振動発生器の振動板４６に発生する機械的振動の振動速度を振動計で測定した場合の測定結果を示す。図２１の下段に示すように、圧電素子４４３，４４５に印加される正弦波駆動信号がオン状態のときにＴ_b＝５ｍｓ程度のうなりが１回発生することが分かる。

図２２の上段の矩形パルスは、図２０の下段の測定から得られたＴ_b＝５ｍｓのうなりの１周期内で、オン状態とオフ状態が切り替られるように設定して、バースト駆動した場合の電気信号の時間変化を示す。オフ時間は１ｍｓ以下の短い時間に設定し、うなりの１周期内で、オン状態とオフ状態が切り替られるようにオン時間も調整されている。オン時間において駆動角周波数ω＝ω_d－２π２００の正弦波駆動信号が圧電素子４４３，４４５に印加されるのは、図２０及び図２１と同様である。図２２の下段は、圧電素子４４３，４４５が図２２の上段に示すようにバースト駆動された場合に、振動発生器の振動板４６に発生する機械的振動の振動速度を振動計で測定した場合の測定結果を示す。図２２の下段に示すように、圧電素子４４３，４４５に印加される正弦波駆動信号が、うなりの１周期内でオン／オフが切り替られる場合でもＴ_b＝５ｍｓ程度のうなりが発生することが分かる。

図２３の上段の矩形パルスは、比較のために第１実施形態に係る皮膚感覚提示装置において、駆動角周波数ω₁，ω₂（ω₁ ＜ ω_d ＜ ω₂）が６３ｍｓ毎に切り替えられる周波数変調（ＦＭ変調）の様子を示している。図２３の下段は、圧電素子４４３，４４５が図２３の上段に示すようにＦＭ変調された場合に、振動発生器の振動板４６に発生する機械的振動の振動速度を振動計で測定した場合の測定結果を示す。図２３の下段に示すように、圧電素子４４３，４４５に駆動角周波数ω₁が６３ｍｓの間印加されるときにＴ_b＝５ｍｓ程度のうなりが１２回繰り替えされ、駆動角周波数ω₂が６３ｍｓの間印加されるときにＴ_b＝５ｍｓ程度のうなりが１３回繰り替えされていることが分かる。

図２４は第２実施形態に係る皮膚感覚提示装置の説明で用いた図２１に対応する。即ち、図２１に示した現象と比較をするために第１実施形態に係る皮膚感覚提示装置の手法である駆動角周波数ω₁，ω₂（ω₁ ＜ ω_d ＜ ω₂）が、５ｍｓ毎に切り替えられる周波数変調（ＦＭ変調）の様子を示している。図２４の上段の矩形パルスは、図２３の下段の測定から得られたうなりの１周期Ｔ_b＝５ｍｓに合わせて、駆動角周波数ω₁，ω₂を切り替える周波数変調（ＦＭ変調）の様子を示している。図２４の下段は、圧電素子４４３，４４５が図２４の上段に示すようにＴ_b＝５ｍｓでＦＭ変調された場合に、振動発生器の振動板４６に発生する機械的振動の振動速度を振動計で測定した場合の測定結果を示す。図２４の下段に示すように、駆動角周波数ω₁，ω₂がＴ_b＝５ｍｓでＦＭ変調されて圧電素子４４３，４４５に印加されるときにＴ_b＝５ｍｓ程度のうなりが、２つの駆動角周波数ω₁，ω₂のそれぞれの印加時間毎に１回ずつ発生することが分かる。

以上のように、本発明の第２実施形態に係る皮膚感覚提示装置によれば、バースト周波数ｆ_b＝２００Ｈｚ程度の高い周波数でバースト駆動をすることによって、振動板４６に発生する機械的振動として、高い周波数のうなりを発生できることが分かる。第２実施形態に係る皮膚感覚提示装置によれば、ＡＭ変調では不可能な周波数となる高いバースト周波数によって、細かなうなりを発生できるので、細かいざらざら感を提示できる。

（第３実施形態）
図示を省略しているが、本発明の第３実施形態に係る皮膚感覚提示装置は、図１に模式的に例示した構造と同様に、上部に空洞部を有する基体１０と、基体１０の空洞部に配置されたインセル型のタッチパネル基板１１と、基体１０の空洞部を閉じるように、タッチパネル基板１１の上方に配置されたカバーガラス１４を備える携帯情報端末の構造を提示装置本体（１０，１１，１４）を物理的構造の基礎としている。しかしながら、図２５に示すように、カバーガラス１４の下面には、第１の櫛型電極対（３１ａ，３１ｂ）と、第１の櫛型電極対（３１ａ，３１ｂ）から離間して配置された第２の櫛型電極対（３２ａ，３２ｂ）が対称配置され、第１の櫛型電極対（３１ａ，３１ｂ）と第２の櫛型電極対（３２ａ，３２ｂ）の間に弾性表面波伝送経路を構成している点が、図２に示した第１実施形態に係る皮膚感覚提示装置のカバーガラス１４の下面の構造とは異なる。

第１の櫛型電極対（３１ａ，３１ｂ）は、櫛型電極３１ａの櫛の歯と櫛型電極３１ｂの櫛の歯がインターディジタル（交差指状）に組み合っている。同様に第２の櫛型電極対（３２ａ，３２ｂ）は、櫛型電極３２ａの櫛の歯と櫛型電極３２ｂの櫛の歯がインターディジタルに組み合っている。第３実施形態に係る皮膚感覚提示装置のカバーガラス１４の下面には、第１の櫛型電極対（３１ａ，３１ｂ）の弾性表面波伝送経路とは反対側の位置に第１のブラッグ反射器３３が配置され、第２の櫛型電極対（３２ａ，３２ｂ）の弾性表面波伝送経路とは反対側の位置に第２のブラッグ反射器３４が配置されている。この結果、第１のブラッグ反射器３３と第２のブラッグ反射器３４が、それぞれカバーガラス１４の両端側に対称配置されたトポロジーを構成している。

第１のブラッグ反射器３３及び第２のブラッグ反射器３４のそれぞれは、弾性表面波の波長の１／２の間隔で周期的に配置されたグレーティング反射器であり、各反射素子からの反射波が同相で重なりあって１００％に近い反射率が得られる。このため、図２５に示すように、第１のブラッグ反射器３３、第１の櫛型電極対（３１ａ，３１ｂ）、第２の櫛型電極対（３２ａ，３２ｂ）及び第２のブラッグ反射器３４の互いに対向する対称配置によって、弾性表面波のファブリペロー共振器が構成されている。よって、図２５に示すファブリペロー共振器の内部では、白抜きの矢印で示した弾性表面波が往復運動を繰り返すことができる。

図２６の横軸は周波数で、実線は左縦軸に対応するコンダクタンスＧの周波数に対する変化を、破線は右縦軸に対応するサセプタンスＢの周波数に対する変化を示す。第１の櫛型電極対（３１ａ，３１ｂ）で励振された弾性表面波は同じ周波数のままカバーガラス１４表面を伝搬し，第２のブラッグ反射器３４で反射しても周波数に変化はないことが分かる。図２６の実線で示したコンダクタンスＧの極大値で弾性表面波を駆動すると弾性表面波の反射を利用できる。

図２７の上段の矩形パルスは、第３実施形態に係る皮膚感覚提示装置において、弾性表面波の駆動角周波数ω₁，ω₂（ω₁ ＜ ω_d ＜ ω₂）を切り替える周波数変調（ＦＭ変調）の様子を示している。図２７の中段は、弾性表面波が図２７の上段に示すようにＦＭ変調された場合に、振動計で測定した振動速度の時間変化を示す。図２７の下段は、弾性表面波が図２７の上段に示すようにＦＭ変調する場合の第１の櫛型電極対（３１ａ，３１ｂ）及び第２の櫛型電極対（３２ａ，３２ｂ）に印加する電圧の時間変化を示す。図２７から第１の櫛型電極対（３１ａ，３１ｂ）から放射されて反射して戻ってきた弾性表面波と新たに第１の櫛型電極対（３１ａ，３１ｂ）より放射された弾性表面波の干渉によりうなりが観測されたことが分かる。

以上のように、本発明の第３実施形態に係る皮膚感覚提示装置によれば、弾性表面波の場合であっても、放射されて反射して戻ってきた弾性表面波と新たに放射された弾性表面波のうなりを用いることで、細かなざらざら感を提示することができる。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明は第１～第３実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。例えば、本発明の第３実施形態においては、第１の櫛型電極対（３１ａ，３１ｂ）から放射されて反射して戻ってきた弾性表面波と新たに第１の櫛型電極対（３１ａ，３１ｂ）より放射された弾性表面波の干渉によるうなりを説明したが、例示に過ぎない。

別の手法としては、第１の櫛型電極対（３１ａ，３１ｂ）から放射された弾性表面波と第２の櫛型電極対（３２ａ，３２ｂ）より放射された弾性表面波の干渉によってうなりを生成してもよい。このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１２_-1，１２_-2，１２_-3，１２_-i，１２_-(i+1)，１２_i,j（ｉ＝１～ｍ；ｊ＝１～ｎ：ｍ，ｎは２以上の正の整数）超音波素子
１０ 基体
１１ タッチパネル基板
１４ カバーガラス（干渉板）
２０ プログラム記憶装置
２１ 表示情報記憶装置
２２ａ，２２ｂ アンプ
２３ａ，２３ｂ 演算制御回路
２４ インターフェイス(Ｉ／Ｆ)
２５ 入力装置
２９ データバス
３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ 櫛型電極
３３ 第１のブラッグ反射器
３４ 第２のブラッグ反射器
４４ 超音波振動発生手段
４４ｃ 電源
４５ ホーン部
４６ 振動板（干渉板）
４９ シート
６１ 質点
６２ ダッシュポット（粘性体）
６３ バネ
２３１ 切替周波数算出回路
２３２ａ，２３２ｂ 駆動周波数算出回路
２３３ コマンド送信回路
２３４ ダイレクトディジタルシンセサイザ
２３５ バースト周波数算出回路
２３６ 制御信号発生回路
２３９ 減衰固有振動数記憶装置
４４２，４４６ 金属ブロック
４４３，４４５ 圧電素子
４４ａ，４４ｂ 電極板
４４７ 貫通ボルト
４４ｃ 発振器

Claims (6)

1. 対象となる超音波振動系の減衰固有振動数とは異なる値の駆動周波数を算出する駆動周波数算出回路と、
   前記駆動周波数の超音波駆動信号が、１周期の内の予め定めた時間に送信され、残余の時間に遮断される周期が繰り返される超音波変調信号を生成する超音波変調信号生成手段と、
   該超音波変調信号によって駆動され、前記駆動周波数の超音波と、前記遮断される周期において発生する前記減衰固有振動数の超音波からなる２種類の超音波を生成する超音波振動子と、
   前記２種類の超音波を遅延効果により合成してうなりを発生させる干渉板と、
   を備えることを特徴とする超音波変調装置。
2. 対象となる超音波振動系の減衰固有振動数とは異なる値の第１の駆動周波数、前記減衰固有振動数及び前記第１の駆動周波数のいずれとも異なる値の第２の駆動周波数を算出する駆動周波数算出回路と、
   前記第１の駆動周波数の第１の超音波駆動信号が、１周期の内の予め定めた時間に送信され、残余の時間に遮断され、前記第２の駆動周波数の第２の超音波駆動信号が、前記第１の超音波駆動信号が送信される時間に遮断され、前記第１の超音波駆動信号が遮断される時間に送信されるように、前記第１の超音波駆動信号と前記第２の超音波駆動信号を相補的に切り替える周期が繰り返される超音波変調信号を生成する超音波変調信号生成手段と、
   前記超音波変調信号によって駆動され、前記第１の超音波駆動信号が励起した過渡応答振動と前記第２の超音波駆動信号が励起した過渡応答振動からなる２種類の超音波を生成する超音波振動子と、
   前記２種類の超音波を合成してうなりを発生させる干渉板と、
   を備えることを特徴とする超音波変調装置。
3. 対象となる超音波振動系の減衰固有振動数とは異なる値の駆動周波数を算出する駆動周波数算出回路と、
   前記駆動周波数の超音波駆動信号が、１周期の内の予め定めた時間に送信され、残余の時間に遮断される周期が繰り返される超音波変調信号を生成する超音波変調信号生成手段と、
   該超音波変調信号によって駆動され、前記駆動周波数の超音波と、前記遮断される周期において発生する前記減衰固有振動数の超音波からなる２種類の超音波を生成する超音波振動子と、
   前記２種類の超音波を遅延効果により合成してうなりを発生させる干渉板と、
   を備え、前記干渉板の表面に指を接触させることにより、前記干渉板の表面を皮膚の感触表現を提示する皮膚感覚提示面としたことを特徴とする皮膚感覚提示装置。
4. 対象となる超音波振動系の減衰固有振動数とは異なる値の第１の駆動周波数、前記減衰固有振動数及び前記第１の駆動周波数のいずれとも異なる値の第２の駆動周波数を算出する駆動周波数算出回路と、
   前記第１の駆動周波数の第１の超音波駆動信号が、１周期の内の予め定めた時間に送信され、残余の時間に遮断され、前記第２の駆動周波数の第２の超音波駆動信号が、前記第１の超音波駆動信号が送信される時間に遮断され、前記第１の超音波駆動信号が遮断される時間に送信されるように、前記第１の超音波駆動信号と前記第２の超音波駆動信号を相補的に切り替える周期が繰り返される超音波変調信号を生成する超音波変調信号生成手段と、
   前記超音波変調信号によって駆動され、前記第１の超音波駆動信号が励起した過渡応答振動と前記第２の超音波駆動信号が励起した過渡応答振動からなる２種類の超音波を生成する超音波振動子と、
   前記２種類の超音波を合成してうなりを発生させる干渉板と、
   を備え、前記干渉板の表面に指を接触させることにより、前記干渉板の表面を皮膚の感触表現を提示する皮膚感覚提示面としたことを特徴とする皮膚感覚提示装置。
5. 対象となる超音波振動系の減衰固有振動数とは異なる値の駆動周波数を算出するステップと、
   前記駆動周波数の超音波駆動信号が、１周期の内の予め定めた時間に送信され、残余の時間に遮断される周期が繰り返される超音波変調信号を生成するステップと、
   該超音波変調信号によって超音波振動子を駆動し、前記駆動周波数の超音波と、前記遮断される周期において発生する前記減衰固有振動数の超音波からなる２種類の超音波を生成するステップと、
   干渉板上において、前記２種類の超音波を遅延効果により合成してうなりを発生させるステップと、
   を含むことを特徴とする超音波変調方法。
6. 対象となる超音波振動系の減衰固有振動数とは異なる値の第１の駆動周波数、前記減衰固有振動数及び前記第１の駆動周波数のいずれとも異なる値の第２の駆動周波数を算出するステップと、
   前記第１の駆動周波数の第１の超音波駆動信号が、１周期の内の予め定めた時間に送信され、残余の時間に遮断され、前記第２の駆動周波数の第２の超音波駆動信号が、前記第１の超音波駆動信号が送信される時間に遮断され、前記第１の超音波駆動信号が遮断される時間に送信されるように、前記第１の超音波駆動信号と前記第２の超音波駆動信号を相補的に切り替える周期が繰り返される超音波変調信号が生成されるステップと、
   前記超音波変調信号によって超音波振動子を駆動し、前記第１の超音波駆動信号が励起した過渡応答振動と前記第２の超音波駆動信号が励起した過渡応答振動からなる２種類の超音波を生成するステップと、
   干渉板上において、前記２種類の超音波を合成してうなりを発生させるステップと、
   を含むことを特徴とする超音波変調方法。

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