特開 2023-57918 非接触温度情報提示システム及びその方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023057918

(43)【公開日】2023-04-24

(54)【発明の名称】非接触温度情報提示システム及びその方法

(51)【国際特許分類】

   A63J 25/00 20090101AFI20230417BHJP

   A63J 5/02 20060101ALI20230417BHJP

【ＦＩ】

A63J25/00

A63J5/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021167672

(22)【出願日】2021-10-12

(71)【出願人】

【識別番号】504133110

【氏名又は名称】国立大学法人電気通信大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000925

【氏名又は名称】弁理士法人信友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】久米 祐一郎

(72)【発明者】

【氏名】水野 統太

(57)【要約】

【課題】非接触で適切な温度感覚を対象者に与えることを可能にする。
【解決手段】対象者の表面から放射あるいは入射する熱量の制御による非接触温度情報提示システムであり、対象者の周囲に、対象者の表面温度よりも高い温度の第１の熱源と、表面温度よりも低い温度の第２の熱源とを配置する。そして、第１の熱源の熱放射と、第２の熱源の熱放射を制御して、それぞれの熱放射の和と対象者の表面から放射する熱の収支の制御装置を備える。例えば、低い温度の第２の熱源は、ほぼ一定温度で熱放射を行うようにし、高い温度の第１の熱源は、熱放射を行う温度を可変させて、対象者の表面で入射あるいは放射する熱量を制御して、映像などに追随した適切な温度感覚が得られるようにした。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

対象者の表面から放射される熱と、前記対象者へ入射する熱の収支を制御する非接触温度情報提示システムであり、
前記対象者の周囲に、前記対象者の表面温度よりも高い温度の第１の熱源と、前記対象者の表面温度よりも低い温度の第２の熱源とを配置し、
前記第１の熱源の熱放射と、前記第２の熱源の熱放射を制御して、それぞれの熱放射の和と前記対象者の表面から放射する熱の収支の制御装置を備える
非接触温度情報提示システム。

【請求項2】

前記対象者の表面から放射する熱の収支の制御装置は、前記対象者の表面温度よりも低い温度の前記第２の熱源を、ほぼ一定の温度の熱放射を行うように制御し、前記対象者の表面温度よりも高い温度の前記第１の熱源を、前記対象者の表面温度の変化に追随して熱放射を行う温度を変化させるように制御する
請求項１に記載の非接触温度情報提示システム。

【請求項3】

前記対象者の表面温度は、映像出力装置から出力される映像により可変設定される温度である
請求項２に記載の非接触温度情報提示システム。

【請求項4】

前記第２の熱源の表面積は、前記第１の熱源の表面積よりも大きくした
請求項１～３のいずれか１項に記載の非接触温度情報提示システム。

【請求項5】

前記第１の熱源及び前記第２の熱源は、対象者の周囲に複数配置した
請求項１～４のいずれか１項に記載の非接触温度情報提示システム。

【請求項6】

前記第１の熱源と前記第２の熱源の内の、少なくとも前記第２の熱源と対象者の間に、熱放射を遮断するシャッタを配置した
請求項１～５のいずれか１項に記載の非接触温度情報提示システム。

【請求項7】

対象者の表面から放射される熱と、前記対象者へ入射する熱の収支を制御する非接触温度情報提示方法であって、
前記対象者の周囲に、前記対象者の表面温度よりも高い温度の第１の熱源と、前記対象者の表面温度よりも低い温度の第２の熱源とを配置し、
前記第１の熱源の熱放射と、前記第２の熱源の熱放射を制御して、それぞれの熱放射の和と、前記対象者の表面から放射される熱の収支の制御を行う
非接触温度情報提示方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、非接触で対象者に温度感覚を提示する非接触温度情報提示システム及びその方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、劇場や遊戯施設などで、映像の内容に合わせて冷たい風や暖かい風を観客に浴びせることで、臨場感がある映像提供を行うものが実用化されている。例えば、吹雪の雪山の映像の表示に合わせて、観客に冷風を浴びせることで、映像に一致した温度情報が提供され、高い臨場感が得られる。

【0003】

しかしながら、このような従来から行われている温度情報の提示は、いずれも観客に風を浴びせるものであるため、映像内容によっては適切でない場合がある。すなわち、上述したような吹雪の映像を表示する際に、冷たい風で観客を刺激するのは適切である。しかし、無風状態の灼熱の砂漠の映像に合わせて、暖かい風を観客に提示すると、観客は温かいという温覚は感じることができても、無風状態の灼熱の砂漠の映像と風との関連がないため、観客に対して不自然な感じを与えてしまうことになる。

【0004】

特許文献１には、ディスプレイで表示される映像を見る対象者の腕などに温冷刺激装置を装着して、温冷刺激装置に内蔵された熱電素子の制御で、温冷刺激装置と接触した皮膚に映像の内容に合わせた温感を伝える技術が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２０－１３５１９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に記載された技術では、温冷刺激装置を皮膚に触れた状態で温度感覚を刺激するため、温冷刺激装置と直接接触知った箇所だけに温度情報が伝わる。したがって、利用者にとっては、腕などの一部だけに温度情報が伝わり、顔などには全く温度情報が伝わらないため、利用者に対して違和感を与えることになってしまう。

【0007】

背景技術の欄で説明したように、映像の内容に合わせて、冷たい感覚や温かい感覚を非接触で伝えることができれば、より臨場感の高い映像提供が可能になるが、従来の技術では風を浴びせたり、特許文献１に記載されたように皮膚に直接触れた箇所に温度刺激を与えるものであり、臨場感のある温度感覚が提供できているとは言えなかった。

【0008】

本発明の目的は、非接触で適切な温度感覚を対象者に与えることができる非接触温度情報提示システム及びその方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の非接触温度情報提示システムは、対象者の表面から放射される熱と、対象者へ入射する熱の収支を制御する非接触温度情報提示システムであり、対象者の周囲に、対象者の表面温度よりも高い温度の第１の熱源と、対象者の表面温度よりも低い温度の第２の熱源とを配置する。
そして、第１の熱源の熱放射と、第２の熱源の熱放射を制御して、それぞれの熱放射の和と対象者からの放射の熱収支を、設定した値にする制御装置を備える。

【0010】

また、本発明の非接触温度情報提示方法は、対象者の表面の熱収支を、設定する非接触温度情報提示方法であり、対象者の周囲に、対象者の表面温度よりも高い温度の第１の熱源と、対象者の表面温度よりも低い温度の第２の熱源とを配置し、第１の熱源の熱放射と、第２の熱源の熱放射を制御して、それぞれの熱放射の和と対象者の表面からの放射と入射の熱収支の制御を行う。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、対象者に対して、単一のシステムで広い温度領域において、温覚から冷覚まで任意の温度感覚を非接触で生起することができる。例えば、映画館等の劇場や遊戯施設等において、多数の観客を対象として、温覚や冷覚を生起できるようになる。また、本発明の場合には、熱放射を利用しているため、温風や冷風を浴びせるような流れを生じさせるものではなく、温度感覚だけを対象者に与えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施の形態例によるシステムの例を示す構成図である。

【図2】本発明の一実施の形態例による熱源の配置例を示す図である。

【図3】熱源の配置状態の別の例を示す図である。

【図4】本発明の一実施の形態例によるシャッタを設けた例を示す図である。

【図5】本発明の一実施の形態例によるシステムを劇場に適用した例を示す構成図である。

【図6】熱源の配置状態（ａ）と、その配置状態での温度変化（ｂ）を示す図である。

【図7】本発明の一実施の形態例によるシステムの温度制御装置をコンピュータで構成した場合のハードウェア構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の一実施の形態例（以下「本例」と称する）を、添付図面を参照して説明する。
図１は、本例の非接触温度情報提示システムの全体構成を示す。
図１に示すように、本例の非接触温度情報提示システムは、温度感覚を与える対象者ａの近傍に、高温熱源１０と低温熱源２０とを相対して配置し、それぞれの熱源１０，２０からの熱放射を対象者ａに届くようにする。ここで、高温熱源１０を第１の熱源、低温熱源２０を第２の熱源とする。

【0014】

高温熱源１０としては、例えば、電力の供給で発熱する発熱体が使用される。このような高温熱源１０は、比較的迅速に放射温度を所望の状態に制御することができる。
低温熱源２０としては、放射冷房を行うパネルが使用される。放射冷房は、例えば冷水などの低温の媒体をパネルの内部で循環させて、パネルを低温状態に保つことで、低温の熱放射を行うものである。このような低温熱源２０は、温度の設定に比較的長い時間を必要とする。
なお、高温熱源１０を発熱体とし、低温熱源２０を放射冷房機とするのは一例であり、その他の熱源としてもよい。例えば、低温熱源２０としてドライアイスを使用して、低温熱源２０は一定温度としてもよい。

【0015】

高温熱源１０と低温熱源２０は、温度制御装置１００により温度が制御される。
温度制御装置１００は、温度演算部１０１と、温度設定部１０２とを備える。

【0016】

温度演算部１０１は、映像出力装置４０から目標温度の情報を取得し、対象者ａの表面の熱収支を得るために必要な、高温熱源１０の放射温度Ｔ１と、低温熱源２０の放射温度Ｔ２とを算出する。ここで、高温熱源１０の放射温度Ｔ１は、対象者ａの表面絶対温度Ｔ０よりも高い温度であり、低温熱源２０の放射温度Ｔ２は、対象者ａの表面絶対温度Ｔ０よりも低い温度である。温度演算部１０１で算出された放射温度Ｔ１，Ｔ２の情報は、温度設定部１０２に供給される。

【0017】

温度設定部１０２は、高温熱源１０を放射温度Ｔ１に制御すると共に、低温熱源２０を放射温度Ｔ２に制御する。ここで、低温熱源２０は、所望の温度の設定に比較的長い時間を必要とするため、図１に示す温度制御装置１００は、放射温度Ｔ２はほぼ同じ温度とし、高温熱源１０の放射温度Ｔ１を制御して、目標とする熱収支を得る制御を行うのが好ましい。

【0018】

図２は、相対して配置した高温熱源１０の放射温度Ｔ１と低温熱源２０の放射温度Ｔ２で、対象者ａの表面絶対温度Ｔ０との熱収支を制御する原理を示す。
それぞれの熱源１０，２０は、絶対温度Ｔの物体から、温度Ｔの４乗に比例するエネルギー（熱）が電磁波として放射されることが、ステファン・ボルツマンの法則で知られている。

【0019】

具体的には、高温熱源１０を構成する物体からは、単位面積、単位時間当たりεσ（Ｔ１）^４の熱が電磁波として放出される。また、低温熱源２０を構成する物体からは、単位面積、単位時間当たりσ（Ｔ２）^４の熱が電磁波として放出される。εは放射率であり、σはステファン・ボルツマン定数である。
ここで、高温熱源１０と低温熱源２０は黒体と仮定し、放射率εが１．０とすると、２個の熱源から放射される熱は、以下の式で示される。

【0020】

［数１］
σ（Ｔ１）^４＋σ（Ｔ２）^４

【0021】

先に説明したように、高温熱源１０の放射温度Ｔ１は、対象者の表面絶対温度Ｔ０よりも高い温度であり、低温熱源２０の放射温度Ｔ２は、対象者の表面絶対温度Ｔ０よりも低い温度である。

【0022】

高温熱源１０は、単位面積、単位時間当たりσＴ１^４の熱が電磁波として放射され、低温熱源２０は、単位面積、単位時間当たりσＴ２^４の熱が電磁波として放射され、対象者ａの表面絶対温度Ｔ０であり、放射率は１．０とする。
これらを足し合わせると、以下のようになる。

【0023】

［数２］
σ（Ｔ１）^４＋σ（Ｔ２）^４－σ（Ｔ０）^４

【0024】

この［数２］式の値が負のとき、対象者ａから熱が放出されるため、対象者ａは冷たく感じ、逆に［数２］式の値が正のとき、熱が対象者ａに流入して暖かく感じる。本例の場合には、各熱源１０，２０の表面絶対温度Ｔ１，Ｔ２を独立に制御することで、幅広い範囲の温度を対処者ａへ提示することが可能になる。具体的には、映像出力装置４０から出力される映像に合わせて、高温の温覚や冷覚を刺激する温度情報を提示できるようになる。
なお、人体である対象者ａに不快感を与えず、危害を加えない皮膚温度の範囲は、１５℃から４３℃の範囲であり、目標とする表面絶対温度Ｔ０は、２８８Ｋから３１６Ｋの範囲が好ましい。

【0025】

また、一般に低温熱源２０は、温度の設定に比較的長い時間を必要とするため、温度制御装置１００は、低温熱源２０の表面絶対温度Ｔ２は一定温度として、高温熱源１０の表面絶対温度Ｔ１を変化させて、所望の熱収支を得るのが好ましい。低温熱源２０の表面絶対温度Ｔ２を一定温度とする場合には、例えば低温熱源２０はドライアイスなどの低温物体を使用して、温度制御装置１００は、高温熱源１０の放射温度Ｔ１のみを制御する構成としてもよい。

【0026】

ここで温度の一例を示すと、対象者ａの表面温度Ｔ０を３１０Ｋ、高温熱源１０の温度Ｔ１を６７３Ｋ、低温熱源２０の温度Ｔ２を温度１９４Ｋ（ドライアイスの温度）とすると、（Ｔ１）^４－（Ｔ０）^４は、（Ｔ０）^４－（Ｔ２）^４の約２５倍になる。この数値は、単位面積当たりの放射熱なので、低温熱源２０の面積を拡大することによって、冷却能力を高めることが可能になる。つまり、図２の例では、高温熱源１０と低温熱源２０を同じサイズで示しているが、実際には、低温熱源２０を高温熱源１０よりも大きくするのが好ましい。

【0027】

周囲の熱源１０，２０と対象者ａに対する熱の収支によって熱の移動方向が決まり、対象者ａへの温度情報の提示が可能になる。このため、図３に示すように、複数の対象者ａ，ｂに対して、周囲に複数の高温熱源１０－１，１０－２，１０－３と複数の低温熱源２０－１，２０－２，２０－３を配置して、対象者ａ，ｂに温度情報を提示できる。図３に示す各熱源１０，２０の数や配置は一例である。

【0028】

温度制御装置１００が、高温熱源１０の温度Ｔ１と低温熱源２０の温度Ｔ２を制御する際に、各熱源１０，２０を構成する物体自体に熱容量があるため、温度変化には時間を要する。このため、少なくともいずれか一方の熱源の物体と対象者との間に、電磁波を遮断するシャッタを配置してもよい。

【0029】

図４は、この場合の構成例を示す。
図４の例では、低温熱源２０の前に、開閉自在のシャッタ２１を配置した例を示す。図４に示すように、温度制御装置１００は、閉じたシャッタ２１′がある状態で、低温熱源２０を設定された温度Ｔ２とする制御を行った上で、温度Ｔ２になったタイミングで、シャッタ２１を開けた状態に制御する。
このようにシャッタ２１を用意することで、温度情報提示システムの時間応答性を改善することができる。
なお、高温熱源１０の時間応答性が十分でない場合には、高温熱源１０の前にもシャッタを配置してもよい。

【0030】

図５は、本例の非接触温度情報提示システムを劇場２００に適用した例を示す。
劇場２００は、室内の前方に映像を表示するスクリーン２０１を有し、劇場２００の床面２４０には多数の座席２０２が配置されている。
ここで、劇場２００の天井２１０に、高温熱源１０と低温熱源２０とを多数、交互に配置する。ここでは、説明を簡単にするために、高温熱源１０と低温熱源２０とは同じサイズで示すが、実際には、既に説明したように低温熱源２０を大きくするのが好ましい。
また、図示は省略するが、劇場２００の左右の側面２２０，２３０にも、高温熱源１０と低温熱源２０とを配置してもよい。

【0031】

スクリーン２０１には、図１に示す映像出力装置４０が再生した映像を表示させ、温度制御装置１００は、高温熱源１０の温度Ｔ１と低温熱源２０の温度Ｔ２を制御して、座席２０２に座っている観客の顔の熱収支を設定して、温かい、あるいは冷たい温度感覚を提示する。
このように本例の非接触温度情報提示システムを劇場に適用することで、劇場で上映される映像に合わせた臨場感のある温感覚や冷感覚を、多数の観客を対象に提示できるようになる。ここで提示される温覚や冷覚は、熱放射を利用しているため、温風や冷風を浴びせるような流れを生じさせるものではなく、温度感覚だけを対象者に与えることができるので、対象者にとって、映像に合わせた極めて臨場感のある温度感覚になる。

【0032】

図６は、本例の非接触温度情報提示システムにおける温度制御を適正に行うことができる点を実験で示した例である。
図６（ａ）は、実験を行った構成例を示す。
この例では、高温熱源１０に相当する加温ランプ１と、低温熱源２０に相当する保冷剤２を並べて配置し、測定のための被照射体としての鉛板３を加温ランプ１と保冷剤２に対向配置する。
そして、鉛板３の表面温度を測定する放射温度センサ４を配置する。

【0033】

図６（ｂ）は、この放射温度センサ４が測定した、加温ランプ１の赤外線出力の変化による、鉛板３の表面温度の変化例を示す。ここでの保冷剤２の温度は一定である。
加温ランプ１の赤外線出力を変化させることで、鉛板３の表面温度は、１３℃から２５℃まで変化した。なお、ここでの周囲温度は２５℃である。
この図６の例から、本例の非接触温度情報提示システムによって、適切に温度Ｔ０を制御できることがわかる。

【0034】

なお、図１に示す温度制御装置１００は、例えばコンピュータにより構成することができる。図７は、温度制御装置１００をコンピュータで構成した場合のハードウェア構成例を示す。
図７に示すコンピュータ（温度制御装置１００）は、バスにそれぞれ接続された、ＣＰＵ(Central Processing Unit)１００ａ、ＲＯＭ(Read Only Memory)１００ａ、ＲＡＭ（Random Access Memory）１００ｃ、不揮発性ストレージ１００ｄ、ネットワークインタフェース１００ｅ、入力装置１００ｆ、及び出力装置１００ｇを備える。

【0035】

ＣＰＵ１００ａは、温度制御装置１００が行う機能を実現するソフトウェアのプログラムコードをＲＯＭ１００ｂ又は不揮発性ストレージ１００ｄから読み出して実行する演算処理部である。ＲＡＭ１００ｃは、演算処理を実行するワークエリアである。
ＣＰＵ１００ａがＲＯＭ１００ｂ又は不揮発性ストレージ１００ｄからプログラムコードを読み出して、ＲＡＭ１００ｃで演算処理を実行することで、ＲＡＭ１００ｃに様々な処理機能部が構成される。例えばＲＡＭ１００ｃには、図１に示す温度演算部１０１が構成される。

【0036】

不揮発性ストレージ１００ｄには、例えば、ＨＤＤ(Hard Disk Drive)、ＳＳＤ（Solid State Drive）、メモリカードなどの大容量情報記憶媒体が用いられる。不揮発性ストレージ１００ｄには、温度制御装置１００が持つ機能を実現するソフトウェアと、そのプログラムの実行で得られたデータが記憶される。

【0037】

ネットワークインタフェース１００ｅは、例えば、ＮＩＣ（Network Interface Card）などが用いられ、他の装置とのデータの送受信が行われる。例えば、ネットワークインタフェース１００ｅは、映像出力装置４０からの温度指令を受信する。
入力装置１００ｆは、外部からのデータの入力処理を行う。例えば、入力装置１００ｆは、センサ３０からの温度データの入力処理を行う。
出力装置１００ｇは、外部へのデータの出力処理を行う。例えば、出力装置１００ｇは、高温熱源１０や低温熱源２０に対して、温度を制御する指令を出力する。

【0038】

なお、ここまで説明した実施の形態例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
例えば、図１に示す構成では、温度制御装置１００は、映像出力装置４０での映像出力に同期して、温度制御を行うようにしたが、このような映像に同期させて温度制御を行うのは一例であり、温度制御装置１００が、決められた温度制御スケジュールに従って温度を制御してもよい。

【符号の説明】

【0039】

１…加温ランプ、２…保冷剤、３…鉛板、４…放射温度センサ、１０…高温熱源、２０…低温熱源、２１，２１′…シャッタ、４０…映像出力装置、１００…温度制御装置、１００ａ…ＣＰＵ、１００ｂ…ＲＯＭ、１００ｃ…ＲＡＭ、１００ｄ…不揮発性ストレージ、１００ｅ…ネットワークインタフェース、１００ｆ…入力装置、１００ｇ…出力装置、１０１…温度演算部、１０２…温度設定部、２００…劇場、２０１…スクリーン、２０２…座席、２１０…天井、２２０…側面、２４０…床面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】