JPH08314369A

JPH08314369A - 触覚刺激表出方法

Info

Publication number: JPH08314369A
Application number: JP12196095A
Authority: JP
Inventors: Toshio Watanabe; 敏雄渡辺; Shigehisa Fukui; 茂寿福井; Makoto Mizukami; 誠水上
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1995-05-19
Filing date: 1995-05-19
Publication date: 1996-11-29

Abstract

(57)【要約】【目的】触面の表出形状（粗さ）を変化させることな
く触感にて粗い感覚又はそれに相当する抵抗感のある感
覚をシミュレ−ション体感し得る触覚刺激表出方法を提
供する。【構成】所要の短い加振時間、触覚を有意刺激するため
の刺激表出触面板１に対しその法線方向の振動成分を含
む超音波振動を触面１ａが瞬間的に粗い感覚又はそれに
相当する抵抗感で触感自在に加振制御することを特徴と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ものの表面に触れた感
覚を実際に体感するためのシュミレ−ションに供される
触覚刺激表出方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】触覚刺激を利用した情報表示手法として
一般的なものは、視覚に障害を持つ者のための点字、あ
るいは図形情報の触覚体感を目的とした触覚刺激表出装
置において、その対象図形を、例えば図７（ａ）（ｂ）
のように上下に運動もしくは伸縮する機構Ａを同図
（ａ）に示す面状に配置し、これらを同図（ｂ）に示す
よう上下変位制御することにより幾何的に再現（図
（ｂ）は数字の８を表出）するものである。

【０００３】しかし本発明の目的とする「つるつる」
「ざらざら」などの表面粗さ（表面の状態）に伴う触感
の体感を目的とした場合、その感覚がミクロンオ−ダの
表面の微細な形状にも容易に影響されるものである一方
で、従来手法では形状形成のための機構の小型化、配置
の高密度化の限界から、このような感覚を扱うことは困
難であった。

【０００４】この機構の小型化などの制約を回避し、表
面粗さ（表面の微細な形状）を変化させることなく、刺
激表出触面に触れた際の触感を変化させる触覚刺激表出
法として、本出願人が特願平６−１４１３４３号として
先行出願した触覚刺激表出方法がある。この手法は図８
の概念図に示される通りに、人がなぞることのできる刺
激表出触面αに、法線方向の振動成分を含むミクロンオ
−ダの振幅の超音波加振を施し、その際に指βと超音波
振動する刺激表出触面αの間に生じるスクイズ効果など
の力学的作用により、触面αに触れた際の触感が滑らか
なものに体感変化させる者である。

【０００５】無加振時の触面αの粗いあるいは密着する
ような抵抗感のある触感から最大加振時の滑らかな触感
まで、加振振幅を制御することにより、触面αの触感を
自由に変化させることができる。この手法では単に触面
α全体を超音波加振するだけで、特に表面の微細な形状
を変化させる必要がないこと、またその構成が単純で様
々な装置に組み込みが容易である点などを特徴とする。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この手
法ではあまり粗い触感（「ざらざら」した触感）を扱う
ことは困難であった。何故なら粗い触面を滑らかに変化
させるのに必要な加振振幅は、触面の粗さが増すにつれ
加速度的に増大する一方、音波領域の高い周波数の機械
振動には大きなエネルギを必要とし、さらにその際の発
熱量も多いことから、実用上触面への加振振幅には上限
があるためである。ただし、対象の粗さの凹凸が１００
ミクロン程度になったところで、従来手法のような機械
的に形状を再形成する手法では対象形状が細か過ぎるこ
とには変わりはない。

【０００７】ここにおいて、本発明が解決すべき主要な
目的は次の通りである。即ち、本発明の第１の目的は、
触面の表面形状（粗さ）を変化させることなく触感にて
粗い感覚またはそれに相当する抵抗感のある感覚をシュ
ミレ−ション体感し得る触覚刺激表出方法を提供せんと
するものである。

【０００８】本発明の第２の目的は、刺激表出触面に瞬
間的に粗い感覚で触感自在に超音波振動を加振制御する
触覚刺激表出方法を提供せんとするものである。

【０００９】本発明の第３の目的は、ＡＭ変調又は共振
周波数を含むＦＭ変調により超音波振動の加振制御を行
う触覚刺激表出方法を提供せんとするものである。

【００１０】本発明の第４の目的は、超音波振動の加振
制御を間歇的に繰り返し行う触覚刺激表出方法を提供せ
んとするものものである。

【００１１】本発明の他の目的は、明細書、図面、特に
特許請求の範囲の記載から自ずと明らかとなろう。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記課題の解決は、本発
明が次に列挙する新規な特徴的構成手法を採用すること
により前記目的を達成する。即ち、本発明の第１の特徴
は、所要の短い加振時間、触覚を有意刺激するための刺
激表出触面に対しその法線方向の振動成分を含む超音波
振動を瞬間的に粗い感覚又はそれに相当する抵抗感の感
覚で触感自在に加振制御してなる触感刺激表出方法にあ
る。

【００１３】本発明の第２の特徴は、前記第１の特徴に
おける所要の短い加振時間が、人が超音波振動によって
触覚刺激表出触面の触感が滑らかになったと感じられな
い程度の極めて短い時間である触覚刺激表出方法にあ
る。

【００１４】本発明の第３の特徴は、前記第１又は第２
の特徴における所要の短い加振時間が、５０ミリ秒以下
である触覚刺激表出方法にある。

【００１５】本発明の第４の特徴は、前記第１、第２又
は第３の特徴における所要の短い加振時間が、５〜２０
ミリ秒が最適である触覚刺激表出方法にある。

【００１６】本発明の第５の特徴は、前記第１、第２、
第３又は第４の特徴における粗い感覚又はそれに相当す
る抵抗感の感覚が、超音波振動無加振時の感覚と５０ミ
リ秒以上の超音波振動加振時の触感が滑らかに感じられ
る感覚との中間的感覚である触覚刺激表出方法にある。

【００１７】本発明の第６の特徴は、前記第１、第２、
第３、第４又は第５の特徴における超音波振動の加振制
御が、加振中の振幅の時間変化のＡＭ変調制御である触
覚刺激表出方法にある。

【００１８】本発明の第７の特徴は、前記第６の特徴に
おけるＡＭ変調制御が、変調波形の立ち上がり速度と立
ち下がり速度を可変制御してなる触覚刺激表出方法にあ
る。

【００１９】本発明の第８の特徴は、前記第６又は第７
の特徴における変調波形が、矩形波、正弦波、三角波、
鋸歯状波である触覚刺激表出方法にある。

【００２０】本発明の第９の特徴は、前記第１、第２、
第３、第４又は第５の特徴における超音波振動の加振制
御が、共振周波数を含む範囲での加振周波数のＦＭ変調
制御である触覚刺激表出方法にある。

【００２１】本発明の第１０の特徴は、前記第９の特徴
におけるＦＭ変調制御が、共振周波数を可聴領域より高
い概ね２０ｋＨｚ以上に設定してなる触覚刺激表出方法
にある。

【００２２】本発明の第１１の特徴は、前記第１、第
２、第３、第４、第５、第６、第７、第８、第９又は第
１０の特徴における超音波振動の加振制御が、間歇的に
繰り返し行ってなる触覚刺激表出方法にある。

【００２３】本発明の第１２の特徴は、前記第１、第
２、第３、第４、第５、第６、第７、第８、第９又は第
１０の特徴における超音波振動の加振制御が、高周波駆
動電源のランジュバン型振動子への印加電圧又は加振周
波数を制御することにより発生した超音波振動を振幅拡
大機構を介し刺激表出触面に伝搬して実現してなる触覚
刺激表出方法にある。

【００２４】

【作用】本発明は、前記のような新規な手法を講じ、触
面に対し非常に短い加振時間の超音波加振を行うことに
より、触面の触感を変化させるが、触面に対して超音波
加振を施す点は特願平６−１４１３４３号と同様である
が、特願平６−１４１３４３号では触面に触れた際の触
感がなめらかなものに変化させ、連続的に超音波加振を
施すのに対し、本発明では、知覚時間の不足から触面の
触感が滑らかだと感知されない程度に十分に加振時間を
短くする。

【００２５】無加振の状態の静止した触面を指でなぞら
せる場合、指は触面との間の動摩擦を受け、また指には
動摩擦と釣り合うだけの歪みが生じる。ここで触面を超
音波加振することにより、指と触面の間に滑らかな状態
を生じさせると、前述の釣合が崩れ、指の歪みは解放さ
れる。その後再び無加振の状態にもどすと、歪みが小さ
いために指は触面上を滑べるのではなく、密着する。

【００２６】最大静止摩擦力より大きいため、指が受け
る最大の摩擦力は大きくなり、そのときの指の歪みも大
きくなる。その結果として人間がより引っかかりが大き
いと感じることになる。当該作用は加振時間が長くても
生じるが、その場合には加振中の触感が滑らかに感じら
れるのに対し、本発明のように加振時間を十分に短くす
ることにより、単に引っかかりだけが増したように感じ
させることができる。

【００２７】さらに触面の表面が滑らか（凹凸が小さ
い）場合には、加振中に指と触面の間に瞬間的に発生す
る気体潤滑作用によるスクイズ力とよばれる浮上力のた
め、加振した瞬間にあたかも触面上に突起が形成された
ように感じさせることもできる。

【００２８】以上が本発明の手法である極短時間の超音
波加振を触面に施すことにより、その瞬間に指のある位
置の触感を局所的により抵抗感のあるものへ変化したよ
うにさせることができる。さらにこのように加振を時間
的に繰り返し行うことで、触面に対して指を移動させた
際に触面全体の触感が変化しているように感じさせるこ
とができる。

【００２９】

【実施例】

（実施例１）本発明の第１実施例を図面につき説明す
る。図１は本実施例に適用する触覚刺激表示装置の概念
を示す正面斜視図、図２は同・正面拡大図である。

【００３０】本実施例は、例えば図１のような装置構成
で実現される。図中、１は触覚刺激表出触面板（以後単
に触面板と記す）、２はランジュバン型振動子、２ａは
芯体部、２ｂはコイル、３は高周波駆動電源、４は振幅
拡大機構としての振幅増幅板、５は支持台、５ａは受支
腕部、５ｂは脚部、５ｃは足部、６が首柱、７はベ−ス
をあらわす。ランジュバン型振動子２の共振周波数は可
聴領域より高い概ね２０ｋＨｚ以上であるものとする。

【００３１】本実施例の実行手順は高周波駆動電源３に
よりランジュバン型振動子２が図１矢印に示す鉛直方向
に振動し、その振動は縦振動として振幅増幅板４により
振幅が増幅されて触面板１に伝搬され、触面板１は触面
１ａの法線方向である鉛直方向に振動する。触面板１の
振動振幅は高周波駆動電源３のランジュバン型振動子２
への印加電圧もしくは、加振周波数を制御することによ
り制御される。なお、振幅増幅板４の左右両側縁部下面
は支持台５の受支腕部５ａ上に固定されているため、固
定部分が伝搬する振動の節にあたるように設定されてい
る。

【００３２】この装置において図３のように高周波駆動
電源３にＡＭ変調をかけると、触面板１の振動もそれに
追従して変調がかかり、瞬間的な超音波加振を行なうこ
とができる。この加振時間は５０ミリ秒を越えないも
の、好ましくは、５〜２０ミリ秒とする。この超音波加
振を行なった瞬間に（１）触面１ａの引っかかりが大き
くなったように変化する。（２）特に触面１ａの表面が
平坦（粗くない）場合には突起ができたような触感を与
えることができる。

【００３３】なお、図３では矩形波状の変調をかけてい
るが、これは本実施例の効果を得るための必要条件では
ない。また触面板１の振動振幅の変調に対する遅れのた
め、触面板１に対して完全な矩形波状の変調をかけるこ
とは困難である。ただし、矩形波に近い形状の変調、つ
まり触面１ａの振動の立ち上がり、立ち下がりが早くな
るようにすることで、より大きな触感の変化を生じさせ
ることができる。

【００３４】（実施例２）本発明の第２実施例を図面に
つき説明する。図４は本実施例のＡＭ変調波形を示し、
（ａ）は正弦波、（ｂ）は三角波、（ｃ）は鋸歯状波を
それぞれ示す。本実施例の実行手順は図１、２に示す第
１実施例の装置に対し、高周波駆動電源３がランジュバ
ン型振動子２への印加電圧に対して施すＡＭ変調の変調
波形を例えば図４のように（ａ）正弦波、（ｂ）三角
波、（ｃ）鋸歯状波などと自由に制御する。

【００３５】前記第１実施例における瞬間的な超音波加
振による（１）の効果は振動の立ち下がり速度（振動の
減衰の早さ）、（２）の効果は振動の立ち上がり速度に
関係すると考えられている。従って変調波形を変化させ
ることにより、２つの効果の大きさ、割合を変化させる
ことができる。たとえば、図４（ｃ）のような変調を加
えると、振動の立ち上がりが遅いので、触面１ａの表面
に（２）の突起形状が形成されたような感覚はほとんど
得られない。つまり、変調波形を変えることにより、触
面の変化の質も変えることができる。

【００３６】（実施例３）本発明の第３実施例を図面に
つき説明する。図５は前記第１実施例の同装置Ｂにおい
て連続的に変調をかけ瞬間的な超音波振動を繰り返し発
生させていることを表している。

【００３７】本実施例の実行手順は前記第１又は第２実
施例のように超音波加振を単発的に施した場合には、そ
の瞬間にしか触感が変化しないため、振動の瞬間に触れ
ている特定の位置の触感しか変化させられないが、間歇
的に変調を行なう（極短時間の超音波加振を周期繰り返
して行なう）と、指が触面１ａ上をなぞっている間の加
振の各瞬間において、指に対して抵抗感を与えられる。
すなわち触面１ａ全体の表面状態が変化したような刺激
体感を与えることができる。

【００３８】この際、前記第２実施例と同様に変調波形
を変えると、触感の変化の仕方も変わってくる。また、
変調周波数（超音波加振繰り返し周波数）ｆによっても
感覚は変化させられる。たとえば、およそ１０Ｈｚ以下
の変調ならば、前記第１実施例の効果が独立に起こって
いるような触感を与えられる。

【００３９】一方５０Ｈｚ以上になると連続した刺激の
ような印象を与えられる。特に変調の周波数が高くなる
につれて、指が受ける感覚は、面が単に荒くなる、ある
いは触面１ａに突起ができたようになるのではなく、指
全体が振動するようなものとなるが、表面をなぞらせる
際に受ける抵抗感は大きく、しっかりとものを掴んだよ
うな触感を与えるのに効果的である。

【００４０】（実施例４）本発明の第４実施例を図面に
つき説明する。図６は本実施例のＦＭ変調の一例を表し
ている。前記第１実施例に記載された同装置Ｂ例のよう
に、触面板１の振動発生に機械的な共振を利用した機構
になっている場合、共振周波数を途中に含むように入力
の周波数を時間的変化させる（ＦＭ変調を施す）ことで
も瞬間的な振動を実現させることである。

【００４１】図６はそのＦＭ変調の一例を表している。
ｆ₀が装置Ｂの共振周波数であり、ここでは加振周波数
をｆ₁、ｆ₂まで共振周波数ｆ₀を含む形で変化させて
いる。触面板１は共振周波数近傍の周波数においてのみ
振動を行なうため瞬間的な超音波振動を発生させること
ができる。

【００４２】触覚刺激表出という点においては、前記第
１実施例のＡＭ変調を行なった場合との変調方式による
効果の差はなく、このような周波数変調による瞬間的超
音波加振では、振幅変調の場合のように自由な波状で変
調を行うことは困難でありその触感表現の自由度が小さ
くなる欠点はある。しかしながら実際のシステムで避け
られない温度、指の押し付けなどによるシステムの共振
周波数のシフトに対して、図６のようにその新たな共振
周波数が周波数変調の範囲（ｆ₁からｆ₂）の範囲に入
っていれば、そのシフトを考慮する必要がなく制御が簡
単となることが利点である。

【００４３】

【発明の効果】かくして、本発明は、極短時間の超音波
加振を触面板に施すことにより、その瞬間に触れている
場所が粗くなった、あるいは突起が形成された、ような
抵抗感のある感覚を生じさせるものである。さらにこの
ような超音波加振を間歇繰り返して行なうことにより、
指で触面をなぞった際の触感が触面全体においてより抵
抗感の大きいものに変化したように感じさせることを可
能とするものである。

【００４４】触覚は触感に伴う外界との力学的作用を唯
一知覚する感覚として重要な役割を果たしており、様々
な場面で意識的あるいは無意識的のうちに利用されてい
る。その感覚のもつ機能に注目して、高臨場感通信シス
テムやＶＲ（人工現実感）システム、設計支援用入出力
インタフェ−スなどの広い用途で利用が試みられてお
り、本発明により、表面粗さに伴う触感の刺激表出、伝
達が可能となれば、これらの用途の利用が期待できる。
特に本発明を重視する装置の可動部は触面板を超音波加
振する振動源のみであるため、装置構成を極めて簡素に
することが可能であり、このようなシステムへの組み込
み等も容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に適用する触覚刺激表出装
置概念の正面斜視図である。

【図２】同上、拡大正面図である。

【図３】本発明の第１実施例における矩形波ＡＭ変調に
よる入力波形を示す。

【図４】（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明の第２実施例にお
けるＡＭ変調波形のそれぞれ正弦波、三角波、鋸歯状波
をそれぞれ示す。

【図５】本発明の第３実施例におけるＡＭ変調を周期間
歇的に繰り返す図である。

【図６】本発明の第４実施例における共振周波数を含む
ＦＭ変調による入力電圧特性線図である。

【図７】従来例を示す触覚刺激表出装置の（ａ）は無表
出状態、（ｂ）は表出状態のパタ−ン例をそれぞれ表
す。

【図８】先行出願の手法を実現する概念構成を示す。

【符号の説明】

Ａ、Ｂ…触覚刺激表出装置１…触覚刺激表出触面板１ａ…触面２ａ…芯体部２ｂ…コイル３…高周波駆動電源４…振幅増幅板５…支持台５ａ…受支腕部５ｂ…脚部５ｃ…足部６…首柱７…ベ−ス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所要の短い加振時間、触覚を有意刺激する
ための刺激表出触面に対しその法線方向の振動成分を含
む超音波振動を瞬間的に粗い感覚又はそれに相当する抵
抗感で触感自在に加振制御する、ことを特徴とする触感刺激表出方法。
【請求項２】所要の短い加振時間は、人が超音波振動によって触覚刺激表出触面の触感が滑ら
かになったと感じられない程度の極めて短い時間であ
る、ことを特徴とする請求項１記載の触覚刺激表出方法。
【請求項３】所要の短い加振時間は、５０ミリ秒以下である、ことを特徴とする請求項１又は２記載の触覚刺激表出方
法。
【請求項４】所要の短い加振時間は、５〜２０ミリ秒が最適である、ことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の触覚刺激
表出方法。
【請求項５】粗い感覚は、超音波振動無加振時の感覚と５０ミリ秒以上の超音波振
動加振時の触感が滑らかに感じられる感覚との中間的感
覚である、ことを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の触覚
刺激表出方法。
【請求項６】超音波振動の加振制御は、加振中の振幅の時間変化のＡＭ変調制御である、ことを特徴とする請求項１、２、３、４又は５に記載の
触覚刺激表出方法。
【請求項７】ＡＭ変調制御は、変調波形の立ち上がり速度と立ち下がり速度を可変制御
する、ことを特徴とする請求項６記載の触覚刺激表出方法。
【請求項８】変調波形は、矩形波、正弦波、三角波、鋸歯状波である、ことを特徴とする請求項６または７記載の触覚刺激表出
方法。
【請求項９】超音波振動の加振制御は、共振周波数を含む範囲での加振周波数のＦＭ変調制御で
ある、ことを特徴とする請求項１、２、３、４又は５に記載の
触覚刺激表出方法。
【請求項１０】ＦＭ変調制御は、共振周波数を可聴領域より高い概ね２０ｋＨｚ以上に設
定する、ことを特徴とする請求項９記載の触覚刺激表出方法。
【請求項１１】超音波振動の加振制御は、間歇的に繰り返し行ってなる、ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、
８、９又は１０記載の触覚刺激表出方法。
【請求項１２】超音波振動の加振制御は、高周波駆動電源のランジュバン型振動子への印加電圧又
は加振周波数を制御することにより発生した超音波振動
を振幅拡大機構を介し刺激表出触面に伝搬して実現す
る、ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、
８、９、１０又は１１記載の触覚刺激表出方法。