特許 6571539 触覚再現装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6571539

(24)【登録日】2019年8月16日

(45)【発行日】2019年9月4日

(54)【発明の名称】触覚再現装置

(51)【国際特許分類】

   G06F 3/01 20060101AFI20190826BHJP

   G06F 3/0484 20130101ALI20190826BHJP

【ＦＩ】

   G06F3/01 560

   G06F3/0484 150

   G06F3/01 570

【請求項の数】12

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2016-1556(P2016-1556)

(22)【出願日】2016年1月7日

(65)【公開番号】特開2017-123039(P2017-123039A)

(43)【公開日】2017年7月13日

【審査請求日】2018年10月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】000010098

【氏名又は名称】アルプスアルパイン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100085453

【弁理士】

【氏名又は名称】野▲崎▼ 照夫

(74)【代理人】

【識別番号】100120204

【弁理士】

【氏名又は名称】平山 巌

(74)【代理人】

【識別番号】100108006

【弁理士】

【氏名又は名称】松下 昌弘

(74)【代理人】

【識別番号】100135183

【弁理士】

【氏名又は名称】大窪 克之

(72)【発明者】

【氏名】川名 譲

(72)【発明者】

【氏名】高井 大輔

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 邦生

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 渉

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 尚

(72)【発明者】

【氏名】萩原 康嗣

【審査官】 ▲高▼瀬 健太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−０２０５２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２０３０４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／００６５７８４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０６Ｆ ３／０１

Ｇ０６Ｆ ３／０４８４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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位置検知部と、前記操作体にモータの動力で突出方向と後退方向の力を与える進退駆動部と、前記操作体の指による押圧操作を受ける部分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が設けられ、
前記感触発生部が、前記モータとは別の機構である振動発生部を含んでおり、
前記制御部では、
前記位置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、
前記反力付与制御では、前記操作体から指に与えられる反力の大きさを変えることができ、
前記感触付与制御では、前記振動発生部で発生する振動の周波数を、前記進退駆動部で前記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く設定できることを特徴とする触覚再現装置。

【請求項2】

前記入力装置の姿勢を検知する姿勢検知部が設けられ、前記姿勢検知部で検知された前記入力装置の姿勢に応じて、前記感触付与制御が行われる請求項１記載の触覚再現装置。

【請求項3】

前記入力装置が２つ設けられており、
一方の前記入力装置の操作に応じて、他方の前記入力装置で前記反力付与制御および前記感触付与制御が行われる請求項１記載の触覚再現装置。

【請求項4】

前記入力装置の姿勢を検知する姿勢検知部が設けられ、前記姿勢検知部で検知された一方の前記入力装置の姿勢に応じて、他方の前記入力装置で前記反力付与制御および前記感触付与制御が行われる請求項３記載の触覚再現装置。

【請求項5】

前記入力装置に、前記操作体が複数設けられている請求項１ないし４のいずれかに記載の触覚再現装置。

【請求項6】

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請求項５記載の触覚再現装置。

【請求項7】

前記制御部に被保持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、指で前記被保持物体を保持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請求項１ないし６のいずれかに記載の触覚再現装置。

【請求項8】

前記感触付与制御では、前記振動発生部で発生する振動の発生期間を、時間経過とともに徐々に変化させ、かつその発生期間の周波数を徐々に変化させる請求項７記載の触覚再現装置。

【請求項9】

前記感触発生部は前記振動発生部とともに熱可変素子を有し、前記感触付与制御では、前記熱可変素子の温度を徐々に変化させる請求項８記載の触覚再現装置。

【請求項10】

前記反力付与制御では、前記被保持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、前記被保持物体の振動と温度が再現される請求項９記載の触覚再現装置。

【請求項11】

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保持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保持物体の状態を変化させる表示が行われる請求項８ないし１０のいずれかに記載の触覚再現装置。

【請求項12】

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請求項１１記載の触覚再現装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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、仮想の被保持物体を指で保持し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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２−２３４３５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

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。

【0006】

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である場合に、その変形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。

【0007】

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、所定の被保持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、さらに被保持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。

【課題を解決するための手段】

【0008】

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位置検知部と、前記操作体にモータの動力で突出方向と後退方向の力を与える進退駆動部と、前記操作体の指による押圧操作を受ける部分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が設けられ、
前記感触発生部が、前記モータとは別の機構である振動発生部を含んでおり、
前記制御部では、
前記位置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、
前記反力付与制御では、前記操作体から指に与えられる反力の大きさを変えることができ、
前記感触付与制御では、前記振動発生部で発生する振動の周波数を、前記進退駆動部で前記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く設定できることを特徴とするものである。

【0010】

また、本発明の触覚再現装置は、前記振動発生部とともに熱可変素子を有していてもよい。

【0011】

本発明の触覚再現装置は、前記入力装置の姿勢を検知する姿勢検知部が設けられ、前記姿勢検知部で検知された前記入力装置の姿勢に応じて、前記感触付与制御が行われるものが好ましい。
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ことが好ましい。

【0012】

例えば、本発明の触覚再現装置は、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。

【0013】

本発明の触覚再現装置は、前記制御部に被保持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、指で前記被保持物体を保持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ものである。

【0014】

また、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保持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保持物体の状態を変化させる表示が行われるものである。

【0015】

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ことが好ましい。

【0016】

本発明の触覚再現装置は、前記反力付与制御では、前記被保持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、前記被保持物体の動きや温度が再現される。

【発明の効果】

【0017】

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移動位置に応じた反力を発生させることで、仮想の被保持物体を掴んで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。

【0018】

さらに、被保持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、このときの動きや温度を、操作体の移動位置に応じて変化させたり、入力装置の姿勢に応じて変化させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1A】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、

【図1B】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2】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3】図２に示す入力装置の分解斜視図、

【図4】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、

【図5】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、

【図6】実施の形態の触覚再現装置の使用例を示しており、仮想の被保持物体として軟質なコップに液体を注いでいる動作を模した表示画像を示す説明図、

【図7】実施の形態の触覚再現装置の使用例を示しており、仮想の被保持物体としてビンを傾けて液体を流出させている動作を模した表示画像を示す説明図、

【図8】実施の形態の触覚再現装置の使用例を示しており、仮想の被保持物体としてスプレーボトルを掴むときの触覚を再現している表示画像を示す説明図、

【図9】（Ａ）は仮想の被保持物体としてコップやビンを掴むときの各操作体の動作を示す説明図、（Ｂ）は仮想の被保持物体としてスプレーボトルを操作するときの各操作体の動作を示す説明図、

【図10】（Ａ）は、軟質なコップに液体を注ぐ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、

【発明を実施するための形態】

【0020】

＜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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

＜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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

フレーム３１の他方の側壁部３１ｂに位置検知部３８Ａが固定されている。位置検知部３８Ａは、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。位置検知部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、位置検知部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、位置検知部３８Ａが、光学式の位置検知部であってもよい。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

また、第２の触覚発生ユニット３０Ｂでは、モータを３５Ｂで示し、位置検知部を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および位置検知部３８Ａと同じである。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

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位置検知部４８で検知される。

【0052】

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。

【0053】

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。

【0054】

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を圧電素子で構成してもよい。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

第１の触覚発生ユニット３０Ａに搭載された位置検知部３８Ａと第２の触覚発生ユニット３０Ｂに搭載された位置検知部３８Ｂおよび第３の触覚発生ユニット４０に搭載された位置検知部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。

【0061】

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。

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

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。

【0067】

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。

【0068】

入力装置２０では、制御部１５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。

【0069】

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。

【0070】

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のロータを強い力で保持させることができる。

【0071】

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、その移動位置が位置検知部３８Ａ，３８Ｂまたは位置検知部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。

【0072】

図１０（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。

【0073】

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。

【0074】

図１０（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保持物体を指で押し込んだときの弾性係数に相当している。

【0075】

図１０（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。

【0076】

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。

【0077】

＜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、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。

【0078】

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て、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て、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。

【0079】

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。

【0080】

感触付与制御は、制御部１５において位置検知部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てもよいし、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てもよい。

【0081】

または、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）を変化させてもよい。

【0082】

あるいは、図１０（Ｂ）（Ｃ）に示すように、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。

【0083】

＜軟質なコップに液体を注ぐ動作を模した操作＞
触覚再現装置１Ａ，１Ｂでは、複数種の仮想の被保持物体を手で保持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。複数種の仮想の被保持物体の反力作用線（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保持物体の画像が選択できるように表示され、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。

【0084】

図６には、表示装置１３の表示画面１３ａに、仮想の被保持物体として軟質なコップ６１が表示されている。このコップは、紙製または薄い合成樹脂材料で形成されたものを想定している。

【0085】

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の画像でコップ６１が保持されるよう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の画像が移動して、コップ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、被保持物体としてコップ６１を選択すると、表示画面１３ａに現れている手Ｈがコップ６１の画像を保持するように表示状態が変化する。

【0086】

仮想の被保持物体として軟質なコップ６１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。仮想の被保持物体がコップ６１のときには、対向操作体３３Ａ，３３Ｂおよび親指操作体４３が、図９（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。

【0087】

制御部１５は、メモリから図１０（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、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、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に与えられる反力は、図１０（Ａ）に示すよう設定される。

【0088】

図１０（Ａ）に示す反力作用線では、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、あたかも弾性変形可能なコップ２１を保持し、コップ２１から弾性反力を受けているように感じることができる。

【0089】

次に、所定の操作を行うと、図６に示すようにコップ６２に液体６２が注がれるように表示画面１３ａの表示状態が変化する。この所定の操作は、例えば、左手で入力装置２０を保持して軟質なコップ６１を左手で保持しているかのような操作を行っているときに、右手で表示画面１３ａに表示されている液体サーバーを動作させるための起動ボタンを押す操作である。あるいは右手に保持している入力装置２０の３個の操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３のいずれかを押す操作である。

【0090】

または、図７に示すように、右手で入力装置２０を保持したときに、表示画面に右手でビン７１を保持している画像が現れる。この表示状態において、右手で保持している入力装置２０を反時計方向へ傾けると、その操作が姿勢検知部５３で検知され、制御部１５からの制御指令により、ビン７１から液体６２が流れ出て、図６に示すように左手で保持しているコップ６１の画像に液体６２が注がれるように表示状態が変化するものであってもよい。

【0091】

このとき、メモリに記憶されている反力作用線（反力作用係数）によって、コップ６１に注がれる液体の量の増加に応じて各指に与えられる反力Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃを徐々に大きくする制御が行われる。軟質なコップ６１を左手に保持している状態でコップ６１内の液体が増えていくと、コップ６１を保持している指が内部の液体で押し返されて、コップ６１が少し膨らむような感触を得ることになるが、前記のように反力を制御することで、入力装置２０を保持している左手に対して、液体が満たされていく過程を模した操作感触を与えることができるようになる。

【0092】

さらに、図６に示すように、表示画面１３ａにコップ６１に液体が注がれている画像が表示されているときに、メモリに記憶されている感触付与情報に基づいて、制御部１５で感触付与制御が行われる。

【0093】

まず、液体６１が注がれているときに、各感触発生部５５，５６Ａ，５６Ｂに振動付与信号が与えられ、振動発生部５７が振動を発するように制御される。例えば、図１０（Ｂ）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、この振動の発生期間ｔを徐々に短くする制御が行われる。このような振動が各感触発生部５５、５６Ａ，５６Ｂから指に与えられると、軟質なコップ６１に液体が注がれているのと同様の振動（動き）を指に感じさせることができる。振動の発生期間ｔを徐々に短くし、振動の発生期間ｔの周波数を徐々に高くしていくことで、あたかもコップ６１内に注がれる液体の量が増えていくような感触を指に与えることができる。

【0094】

また、コップ６１に注ぐ液体６２として冷たい飲み物を想定しているときは、制御部１５から各感触発生部５５，５６Ａ，５６Ｂの熱可変素子５８に熱制御信号が与えられ、コップ６１に注がれる液体６２が増えていくにしたがって、指に与える温度を徐々に低くしていく制御が行われる。この温度制御によって、操作体２０を保持している指で感じる温度が変化し、あたかも冷たい液体がコップ６１に徐々に満たされていくかのような感触を得ることができる。なお、液体６２として熱い飲み物を想定しているときは、液体６２の注がれる量が増えていくにしたがって、熱可変素子５８から指に与える熱（温度）が高くなるように制御される。

【0095】

また、発音装置を動作させて、コップ６１に液体６２が注がれているときの音を発生することで、さらに臨場感を高めることができる。

【0096】

＜ビンを傾けて液体を流出させる動作を模した操作＞
図７には、仮想の被保持物体として液体６２を内容物とするビン７１を選択したときの表示例が示されている。

【0097】

コップ６１を選択したときと同じように、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の画像をビン７１の画像の位置まで移動させることで、表示画面１３ａの表示状態を、手Ｈでビン７１を掴んだ画像に変化させることができる。

【0098】

仮想の被保持物体としてビン７１が選択されて表示画面１３ａに表示されているとき、入力装置２０の第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の初期位置は、図９（Ａ）に示すように、ケース２１から突出している状態に設定される。

【0099】

ビン７１は、ガラスなどの硬質な物を想定しているため、各モータ３５Ａ，３５Ｂ，４５のトルクをほぼ最大に設定し、各操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３が容易には動かないようにすることで、指に、硬質のビン７１を保持しているのと同じ保持感触を与えることができる。なお、ビン７１が合成樹脂製（ＰＥＴ製）などの軟質なものであるときは、図１０（Ａ）に示したのと同様の反力作用線を設定することで、各操作体３３Ａ，３３Ｂ，４３の押し込み量が多くなるにしたがって指に作用する反力Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃを徐々に増加させ、指にビン７１の弾性を感じさせるようにできる。

【0100】

入力装置２０を保持した右手を目から見た方向で反時計方向へ回転させて入力装置２０の姿勢を回転させると、その動作が図５に示す姿勢検知部５３で検知されて制御部１５にその情報が与えられる。この姿勢情報に基づいて制御部１５で表示ドライバー１４が制御され、図７に示すように、画面１３ａに表示されている手Ｈの画像とビン７１の画像が反時計方向へ回動するように表示が変化し、さらに、ビン７１の中から液体６２が流出する画像が表示される。

【0101】

このとき、各感触発生部５５，５６Ａ，５６Ｂに設けられた振動発生部５７で振動を発生することで、ビン７１から液体６２が流れ出すのと同じ振動を指に与えることができる。この場合も、振動の発生期間ｔを図６（Ｂ）（Ｃ）と同様に変化させることで、液体６２がビン７１から徐々に流出しているかのような感触を指に与えることができる。

【0102】

また、冷たい液体６２を想定しているときは、各熱可変素子５８を制御し、液体６２が流出していない段階で指に冷たい温度を感じさせ、液体６２の流出量が増えていくにしたがって、徐々に温度を上げる感触付与制御を行うことで、入力装置２０を保持している指に、あたかも冷たい液体６２が徐々に流出していくかのような感触を与えることができる。

【0103】

なお、温かい液体６２を想定しているときは、液体６２の流出量が増えるにしたがって、指に感じさせる温度を徐々に低くする制御が行われる。

【0104】

また、発音装置を動作させて、ビン７１から液体６２が流れ出るときの音を発生することで、さらに臨場感を高めることができる。
＜仮想の被保持物体としてスプレーボトルを操作するときの触覚反力＞
図８には、仮想の被保持物体としてスプレーボトル８０を選択したときの表示例が示されている。

【0105】

表示画面１３ａに表示されているスプレーボトル８０の画像は、各種液体を収納していることを想定したボトル本体８１と、ボトル本体７１の開口端部に固定されたノズルキャップ８２と、ノズルキャップ８２に前方に向けて設けられた吐出ノズル８３と、ノズルキャップ８２に設けられた吐出ボタン８４を有している。

【0106】

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の画像をスプレーボトル８０の画像の位置まで移動させることで、表示画面１３ａを、手Ｈでスプレーボトル８０が掴まれた画像に変化させることができる。

【0107】

仮想の被保持物体としてスプレーボトル８０の画像が選択されて表示画面１３ａに表示されると、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９（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。

【0108】

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Ｆ２が動いて吐出ボタン８４の画像が後退し、これとともに、表示画面１３ａに表示されている突出ノズル８３から液体８５が霧状に噴霧されるように画像が変化する。

【0109】

このとき、モータ３５Ａから第１の対向操作体３３Ａに与えられる反力の変化は、第１の対向操作体３３Ａを押すにしたがって、人差し指に作用する操作反力が徐々に増大するように制御する。

【0110】

図８に示す画像を見ながら入力装置２０を操作し、さらにはスプレーボトル８０から液体８５が噴霧されるのを模した音（液体の吐出音）を発生させることで、操作者は実際にスプレーボトルを扱っているかのような操作感触を得ることができる。

【0111】

また、第１の対向操作体３３Ａに設けられた第１の感触発生部５６Ａの振動発生部５７から振動を発生させることで、スプレーボトル８０から液体８５が噴霧されるときの振動を人差し指に感じさせることができる。

【0112】

＜他の被保持物体の例＞
また入力装置２０を保持したときに表示画面１３ａに表示する被保持物体としては、液体の入った風船、マラカスなどの楽器、けん玉などの遊具など、種々のものに対して対応可能である。

【符号の説明】

【0113】

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 位置検知部
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 位置検知部
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

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】