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特許7319608振動体感装置，方法，振動体感装置用プログラム及び振動体感装置用プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体
(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】
(24)【登録日】2023-07-25
(45)【発行日】2023-08-02
(54)【発明の名称】振動体感装置，方法，振動体感装置用プログラム及び振動体感装置用プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体
(51)【国際特許分類】
B06B 1/02 20060101AFI20230726BHJP
G06F 3/01 20060101ALI20230726BHJP
B06B 1/04 20060101ALI20230726BHJP
H04R 1/00 20060101ALI20230726BHJP
【ＦＩ】
B06B1/02 A
G06F3/01 560
B06B1/04 S
H04R1/00 310G
【請求項の数】
16
(21)【出願番号】P 2022056519
(22)【出願日】2022-03-30
(62)【分割の表示】P 2019195595の分割
【原出願日】2019-10-28
(65)【公開番号】P2022104960
(43)【公開日】2022-07-12
【審査請求日】2022-04-26
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成３１年（２０１９年）２月７日，「波形の包絡線における高周波振動の知覚識別と強度との相関（Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｅｒｃｅｐｔｕａｌ Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ－Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｅｎｖｅｌｏｐｅ ａｎｄ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｗａｖｅｆｏｒｍｓ）」，ＩＥＥＥ Ａｃｃｅｓｓ，第７巻，第２０８４０～２０８４９頁，ＩＥＥＥ
(73)【特許権者】
【識別番号】504157024
【氏名又は名称】国立大学法人東北大学
(74)【代理人】
【識別番号】100092978
【弁理士】
【氏名又は名称】真田 有
(72)【発明者】
【氏名】昆陽 雅司
(72)【発明者】
【氏名】曹 南
(72)【発明者】
【氏名】田所 諭
【審査官】所村 陽一
(56)【参考文献】
【文献】特開２００４－１８１３０４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－２０２８４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ０６Ｂ １／０２
Ｇ０６Ｆ ３／０１
Ｂ０６Ｂ １／０４
Ｈ０４Ｒ １／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
バイブレーション装置による振動を音響信号によって制御する振動体感装置であって、
前記音響信号のうちの所定周波数以下の周波数を有する第１の信号成分を前記音響信号から除去した前記所定周波数よりも大きい周波数を有する第２の信号成分について、所定時間毎に前記第２の信号成分のエネルギーを維持しながら前記第２の信号成分とは別の周波数をもつ波形に変換するエネルギー制御部と、
前記エネルギー制御部による波形の変換後の前記第２の信号成分を出力する信号出力部と、
を備え、
前記信号出力部によって出力された前記第２の信号成分について、前記バイブレーション装置によって振動が生成される、振動体感装置。
【請求項2】
前記第１の信号成分を前記音響信号から除去する周波数除去制御部と、
前記周波数除去制御部によって除去された前記第１の信号成分以外の前記音響信号における前記第２の信号成分を前記所定時間毎に分割する時間分割制御部と、
を更に備え、
前記エネルギー制御部は、前記時間分割制御部によって分割された前記所定時間毎に、前記第２の信号成分のエネルギーを維持しながら当該第２の信号成分の波形を変換する、請求項１に記載の振動体感装置。
【請求項3】
ロボットの遠隔操縦者側のバイブレーション装置による振動を前記ロボットが物体に接触した際に発生する信号によって制御する振動体感装置であって、
前記信号のうちの所定周波数以下の周波数を有する第１の信号成分を前記信号から除去した前記所定周波数よりも大きい周波数を有する第２の信号成分について、所定時間毎に前記第２の信号成分のエネルギーを維持しながら前記第２の信号成分とは別の周波数をもつ波形に変換するエネルギー制御部と、
前記エネルギー制御部による波形の変換後の前記第２の信号成分を出力する信号出力部と、
を備え、
前記信号出力部によって出力された前記第２の信号成分について、前記バイブレーション装置によって振動が生成される、振動体感装置。
【請求項4】
前記第１の信号成分を前記信号から除去する周波数除去制御部と、
前記周波数除去制御部によって除去された前記第１の信号成分以外の前記信号における前記第２の信号成分を前記所定時間毎に分割する時間分割制御部と、
を更に備え、
前記エネルギー制御部は、前記時間分割制御部によって分割された前記所定時間毎に、前記第２の信号成分のエネルギーを維持しながら当該第２の信号成分の波形を変換する、請求項３に記載の振動体感装置。
【請求項5】
バイブレーション装置による振動を音響信号によって制御する方法であって、
前記音響信号のうちの所定周波数以下の周波数を有する第１の信号成分を前記音響信号から除去した前記所定周波数よりも大きい周波数を有する第２の信号成分について、所定時間毎に前記第２の信号成分のエネルギーを維持しながら前記第２の信号成分とは別の周波数をもつ波形に変換し、
更に波形の変換後の前記第２の信号成分を出力し、
出力された前記第２の信号成分について、前記バイブレーション装置によって振動を生成する、方法。
【請求項6】
前記第１の信号成分を前記音響信号から除去し、
除去された前記第１の信号成分以外の前記音響信号における前記第２の信号成分を前記所定時間毎に分割し、
分割された前記所定時間毎に、前記第２の信号成分のエネルギーを維持しながら当該第２の信号成分の波形を変換する、
請求項５に記載の方法。
【請求項7】
ロボットの遠隔操縦者側のバイブレーション装置による振動を前記ロボットが物体に接触した際に発生する信号によって制御する方法であって、
前記信号のうちの所定周波数以下の周波数を有する第１の信号成分を前記信号から除去した前記所定周波数よりも大きい周波数を有する第２の信号成分について、所定時間毎に前記第２の信号成分のエネルギーを維持しながら前記第２の信号成分とは別の周波数をもつ波形に変換し、
更に波形の変換後の前記第２の信号成分を出力し、
出力された前記第２の信号成分について、前記バイブレーション装置によって振動を生成する、方法。
【請求項8】
前記第１の信号成分を前記信号から除去し、
除去された前記第１の信号成分以外の前記信号における前記第２の信号成分を前記所定時間毎に分割し、
分割された前記所定時間毎に、前記第２の信号成分のエネルギーを維持しながら当該第２の信号成分の波形を変換する、
請求項７に記載の方法。
【請求項9】
バイブレーション装置による振動を音響信号によって制御する振動体感装置用のコンピュータに、
前記音響信号のうちの所定周波数以下の周波数を有する第１の信号成分を前記音響信号から除去した前記所定周波数よりも大きい周波数を有する第２の信号成分について、所定時間毎に前記第２の信号成分のエネルギーを維持しながら前記第２の信号成分とは別の周波数をもつ波形に変換し、
更に波形の変換後の前記第２の信号成分を出力し、
出力された前記第２の信号成分について、前記バイブレーション装置によって振動を生成する処理を実行させる、振動体感装置用プログラム。
【請求項10】
前記コンピュータに、
前記第１の信号成分を前記音響信号から除去し、
除去された前記第１の信号成分以外の前記音響信号における前記第２の信号成分を前記所定時間毎に分割し、
分割された前記所定時間毎に、前記第２の信号成分のエネルギーを維持しながら当該第２の信号成分の波形を変換する、
処理を実行させる、請求項９に記載の振動体感装置用プログラム。
【請求項11】
ロボットの遠隔操縦者側のバイブレーション装置による振動を前記ロボットが物体に接触した際に発生する信号によって制御する振動体感装置用のコンピュータに、
前記信号のうちの所定周波数以下の周波数を有する第１の信号成分を前記信号から除去した前記所定周波数よりも大きい周波数を有する第２の信号成分について、所定時間毎に前記第２の信号成分のエネルギーを維持しながら前記第２の信号成分とは別の周波数をもつ波形に変換し、
更に波形の変換後の前記第２の信号成分を出力し、
出力された前記第２の信号成分について、前記バイブレーション装置によって振動を生成する処理を実行させる、振動体感装置用プログラム。
【請求項12】
前記コンピュータに、
前記第１の信号成分を前記信号から除去し、
除去された前記第１の信号成分以外の前記信号における前記第２の信号成分を前記所定時間毎に分割し、
分割された前記所定時間毎に、前記第２の信号成分のエネルギーを維持しながら当該第２の信号成分の波形を変換する、
処理を実行させる、請求項１１に記載の振動体感装置用プログラム。
【請求項13】
バイブレーション装置による振動を音響信号によって制御する振動体感装置用のコンピュータに、
前記音響信号のうちの所定周波数以下の周波数を有する第１の信号成分を前記音響信号から除去した前記所定周波数よりも大きい周波数を有する第２の信号成分について、所定時間毎に前記第２の信号成分のエネルギーを維持しながら前記第２の信号成分とは別の周波数をもつ波形に変換し、
更に波形の変換後の前記第２の信号成分を出力し、
出力された前記第２の信号成分について、前記バイブレーション装置によって振動を生成する処理を実行させる処理を実行させる、振動体感装置用プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項14】
前記コンピュータに、
前記第１の信号成分を前記音響信号から除去し、
除去された前記第１の信号成分以外の前記音響信号における前記第２の信号成分を前記所定時間毎に分割し、
分割された前記所定時間毎に、前記第２の信号成分のエネルギーを維持しながら当該第２の信号成分の波形を変換し、
更に波形の変換後の前記第２の信号成分を出力し、
出力された前記第２の信号成分について、前記バイブレーション装置によって振動を生成する処理を実行させる、請求項１３に記載の振動体感装置用プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項15】
ロボットの遠隔操縦者側のバイブレーション装置による振動を前記ロボットが物体に接触した際に発生する信号によって制御する振動体感装置用のコンピュータに、
前記信号のうちの所定周波数以下の周波数を有する第１の信号成分を前記信号から除去した前記所定周波数よりも大きい周波数を有する第２の信号成分について、所定時間毎に前記第２の信号成分のエネルギーを維持しながら前記第２の信号成分とは別の周波数をもつ波形に変換し、
更に波形の変換後の前記第２の信号成分を出力し、
出力された前記第２の信号成分について、前記バイブレーション装置によって振動を生成する処理を実行させる処理を実行させる、振動体感装置用プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項16】
前記コンピュータに、
前記第１の信号成分を前記信号から除去し、
除去された前記第１の信号成分以外の前記信号における前記第２の信号成分を前記所定時間毎に分割し、
分割された前記所定時間毎に、前記第２の信号成分のエネルギーを維持しながら当該第２の信号成分の波形を変換し、
更に波形の変換後の前記第２の信号成分を出力し、
出力された前記第２の信号成分について、前記バイブレーション装置によって振動を生成する処理を実行させる、請求項１５に記載の振動体感装置用プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書に記載する技術は、振動体感装置，方法，振動体感装置用プログラム及び振動体感装置用プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、スマートフォンやゲーム機，Virtual Reality（ＶＲ）機器，ロボット操縦支援等の分野において、振動フィードバックの高度化が進んでいる。具体的には、幅広い周波数帯域の振動を再現することにより、リアルな触覚を定義できる振動デバイスが開発されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【文献】Hideto Takenouchi, Nan Cao, Hikaru Nagano, Masashi Konyo, Satoshi Tadokoro、the 2017 IEEE/SICE International Symposium on System Integration「Extracting Haptic Information from High-Frequency Vibratory signals Measured on a Remote Robot to Transmit Collisions with Environments」pp. 968-973、２０１７年１２月
【文献】Nan Cao, Hikaru Nagano, Masashi Konyo, Shogo Okamoto, Satoshi Tadokoro「A Pilot Study: Introduction of Time-Domain Segment to Intensity-Based Perception Model of High-Frequency Vibration」、２０１８年６月
【文献】Nan Cao, Hikaru Nagano, Masashi Konyo, Satoshi Tadokoro、the 27th IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication「Sound reduction of vibration feedback by perceptually similar modulation」、２０１８年８月
【文献】Sliman Bensmaia, Mark Hollins, Jeffrey Yau, Attention, 「Vibrotactile intensity and frequency information in the Pacinian system: A psychophysical model」、Perception, & Psychophysics, Vol. 67, No. 5, pp 828-84、 ２００５年７月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、例えば３００Ｈｚ以上の高周波の振動を提示しようとすると、デバイスの問題や知覚感度の問題，聴覚ノイズの問題が発生しうる。高周波帯域では振動子の振幅が小さくなるため、共振を利用するタイプのデバイスでは高周波帯域及び低周波帯域の振動を共に発生させることは容易でない。また、ヒトは２００～３００Ｈｚをピークにそれ以上の振動周波数に対しては知覚感度が弱くなるため、振動を知覚させるためには十分な振幅が必要となる。更に、周波数が３００Ｈｚ程度を超えると音として振動が聞こえるようなる。例えば、音楽や映画コンテンツと組み合わせて振動を発生させようとすると、音楽や映画コンテンツの音源を妨げる騒音と認識されるおそれがある。
【0005】
１つの側面では、本明細書に記載する技術は、ヒトが知覚しやすい高周波帯域の振動を生成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
１つの側面において、振動体感装置は、バイブレーション装置による振動を音響信号によって制御する振動体感装置であって、前記音響信号のうちの所定周波数以下の周波数を有する第１の信号成分を前記音響信号から除去した前記所定周波数よりも大きい周波数を有する第２の信号成分について、所定時間毎に前記第２の信号成分のエネルギーを維持しながら前記第２の信号成分とは別の周波数をもつ波形に変換するエネルギー制御部と、前記エネルギー制御部による波形の変換後の前記第２の信号成分を出力する信号出力部と、を備え、前記信号出力部によって出力された前記第２の信号成分について、前記バイブレーション装置によって振動が生成される。
【発明の効果】
【0007】
１つの側面として、ヒトが知覚しやすい高周波帯域の振動を生成できる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】実施形態としての振動発生システムの構成例を模式的に示すブロック図である。
【図3】ヒトによる振動の弁別可能性を示すグラフである。
【図6】補正エネルギーの計算に用いられる振幅閾値Tfを表すグラフである。
【図7】補正エネルギーの計算に用いられる指数閾値bを表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、図面を参照して実施の形態を説明する。ただし、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、実施形態で明示しない種々の変形例や技術の適用を排除する意図はない。すなわち、本実施形態を、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【0010】
また、各図は、図中に示す構成要素のみを備えるという趣旨ではなく、他の構成要素を含むことができる。以下、図中において、同一の符号を付した部分は特に断らない限り、同一若しくは同様の部分を示す。
【0011】
〔Ａ〕実施形態
図１は、実施形態としての振動発生システム１００の構成例を模式的に示すブロック図である。
図１は、実施形態としての振動発生システム１００の構成例を模式的に示すブロック図である。
【0012】
振動発生システム１００は、振動制御装置１，Digital Analog Converter（ＤＡＣ）２，高周波バイブレーション３１，低周波バイブレーション３２，イヤフォーン（Ｌ）４１及びイヤフォーン（Ｒ）４２を備える。
【0013】
ＤＡＣ２は、Universal Serial Bus（ＵＳＢ）オーディオと称されてもよく、振動制御装置１から入力されたデジタル信号をアナログ信号に変換する。そしで、ＤＡＣ２は、変換後のアナログ信号を高周波バイブレーション３１，低周波バイブレーション３２，イヤフォーン（Ｌ）４１及びイヤフォーン（Ｒ）４２に出力する。なお、ＤＡＣ２の後段には、高周波バイブレーション３１，低周波バイブレーション３２，イヤフォーン（Ｌ）４１及びイヤフォーン（Ｒ）４２を駆動させるための不図示の増幅器（別言すれば、アンプ）が設けられてよい。
【0014】
高周波バイブレーション３１は、第２のバイブレーション装置の一例であり、所定周波数以上の信号成分による振動を発生させる。低周波バイブレーション３２は、第１のバイブレーション装置の一例であり、所定周波数未満の信号成分による振動を発生させる。なお、低周波バイブレーション３２は振動発生システム１００において備えられなくてもよい。その場合には、高周波バイブレーション３１から所定周波数未満の信号成分による振動が発生されてもよいし、所定周波数未満の信号成分による振動は振動発生システム１００において発生させられなくてもよい。
【0015】
所定周波数は、８０Ｈｚから４００Ｈｚまでの範囲内の周波数であってよい。
【0016】
イヤフォーン（Ｌ）４１は、ステレオ音源のうちヒトの左耳に入力される音を発生させる。イヤフォーン（Ｒ）４２は、ステレオ音源のうちヒトの左耳に入力される音を発生させる。なお、イヤフォーン（Ｌ）４１及びイヤフォーン（Ｒ）４２は、振動発生システム１００において備えられなくてもよい。また、イヤフォーン（Ｌ）４１及びイヤフォーン（Ｒ）４２は、共用されてモノラル音源を発生させてもよい。更に、振動発生システム１００においては、イヤフォーン（Ｌ）４１及びイヤフォーン（Ｒ）４２の代わりにスピーカが備えられてもよいし、３チャネル以上の音源の出力がされてもよい。
【0017】
振動制御装置１は、Central Processing Unit（ＣＰＵ）１１，メモリ１２及び記憶装置１３を備える。
【0018】
本実施形態の一例における振動制御装置１は、音楽や映画，音声等の音響情報の触覚信号変換を行なってよい。周波数が３００～４００Ｈｚ程度を超えると音として振動が聞こえるようになるため、騒音となる。このため、従来技術における音楽や動画等の振動体感装置では、数百Ｈｚ程度でローパスフィルタをかけて、高周波帯域をカットすることが多い。一方、本実施形態の一例における振動制御装置１では、高周波帯域の波形を変換して出力する。
【0019】
また、本実施形態の一例における振動制御装置１は、ロボットが物体に接触した際に発生する高周波振動をヒトが知覚できる周波数帯に変調してよい。ロボットが物体に接触した際の振動を遠隔操縦者に伝達することで、物体との衝突の強さや摩擦の状況を把握することができる。建設ロボットのような金属筐体を把持するロボットでは、物体に接触した際にヒトが知覚できない帯域の振動が発生することがある。そこで、本実施形態の一例における振動制御装置１では、出力信号の周波数帯を変調する。
【0020】
更に、本実施形態の一例における振動制御装置１は、バイブレーション装置を含む椅子やスーツ，ヘッドセット等に適用されてよい。
【0021】
メモリ１２は、Read Only Memory（ＲＯＭ）及びRandom Access Memory（ＲＡＭ）を含む記憶装置である。
【0022】
記憶装置１３は、データを読み書き可能に記憶する装置であり、例えば、Hard Disk Drive（ＨＤＤ）やSolid State Drive（ＳＳＤ），Storage Class Memory（ＳＣＭ）が用いられてよい。記憶装置１３は、生成した教師データや学習モデル等を記憶する。
【0023】
ＣＰＵ１１は、種々の制御や演算を行なう処理装置であり、メモリ１２に格納されたOperating System（ＯＳ）やプログラムを実行することにより、種々の機能を実現する。すなわち、ＣＰＵ１１は、図１に示すように、周波数除去制御部１１１，時間分割制御部１１２，エネルギー制御部１１３，信号出力部１１４として機能してよい。
【0024】
ＣＰＵ１１は、コンピュータの一例であり、例示的に、振動制御装置１全体の動作を制御する。振動制御装置１全体の動作を制御するための装置は、ＣＰＵ１１に限定されず、例えば、ＭＰＵやＤＳＰ，ＡＳＩＣ，ＰＬＤ，ＦＰＧＡ，専用プロセッサのいずれか１つであってもよい。また、振動制御装置１全体の動作を制御するための装置は、ＣＰＵ，ＭＰＵ，ＤＳＰ，ＡＳＩＣ，ＰＬＤ，ＦＰＧＡ及び専用プロセッサのうちの２種類以上の組み合わせであってもよい。なお、ＭＰＵはMicro Processing Unitの略称であり、ＤＳＰはDigital Signal Processorの略称であり、ＡＳＩＣはApplication Specific Integrated Circuitの略称である。また、ＰＬＤはProgrammable Logic Deviceの略称であり、ＦＰＧＡはField Programmable Gate Arrayの略称である。
【0025】
周波数除去制御部１１１は、所定周波数以下の周波数を有する第１の信号成分を除去する。
【0026】
時間分割制御部１１２は、周波数除去制御部１１１によって除去された第１の信号成分以外の第２の信号成分を所定時間毎に分割する。
【0027】
エネルギー制御部１１３は、時間分割制御部１１２によって分割された所定時間毎に、第２の信号成分のエネルギーを維持しながら第２の信号成分の波形を変換する。
【0028】
信号出力部１１４は、エネルギー制御部１１３による波形の変換後の第２の信号成分に加えて、周波数除去制御部１１１によって除去された第１の信号成分を出力する。
【0029】
【0030】
高周波振動に対するヒトの知覚特性を考慮し、高周波帯域においては波形そのものではなく、ヒトの知覚特性に相関がある振動エネルギーに着目して、同等な振動エネルギーを持つ別の波形に置き換えることで、周波数帯域を変更可能とする。図２に示す例では、符号Ａ１に示す波形が符号Ａ２に示す波形に変換されている。
【0031】
連続する任意の振動信号に対して、ヒトの知覚特性を考慮した適切な間隔で時分割し、分割したセグメント毎に振動エネルギーに変換することで、ヒトが感じる触覚を同等に保ったまま、或いは、感じにくい高周波帯域を感じられるように、任意の信号波形に変換することを可能にする。
【0032】
変換後の振動の周波数を適切に選択することで、振動子の応答レンジに合わせて効率的に駆動したり、聴覚ノイズを低下させたり、任意の音源に変換させたりすることが可能になる。
【0033】
ヒトの振動に対する知覚は１ｋＨｚ程度までであると言われている。そのため、１ｋＨｚ以上の振動は無視されることが多い。一方、１ｋＨｚ以上の振動であっても、その振幅がヒトによって感じられる程度の帯域で変動する振幅変調波の場合は、その包絡線成分を知覚し得ることが知られている。
【0034】
一方、ヒトの振動の１００Ｈｚ程度以上の高周波振動に対する知覚特性として、振動エネルギーモデル（例えば、引用文献４を参照）が知られている。このことから、高周波振動エネルギーを保ったまま振幅変調波のキャリア周波数を置き換えても振動を分別できないことが判っている（例えば、引用文献２及び引用文献３を参照）。しかし、振動エネルギーを保ったとしても、上述したように、振動の包絡成分が触覚情報の違いとして知覚できる場合があり、その知覚範囲は調査されていなかった。また、引用文献２では、時分割で振動エネルギーに基づいて信号を変換する方法が考案されているものの、低周波成分を維持する方法については検討されていない。
【0035】
【0036】
従来から知られている振動エネルギーモデル（例えば、引用文献４を参照）を前提とし、振動エネルギーを保ったままで、ヒトの知覚分別特性を調査すると図３に示すグラフが得られる。図４の符号Ｂ１にと符号Ｂ２とは同じ波形を示しており、図４の符号Ｂ３は異なる波形を示している。被験者に対して、図４の符号Ｂ１及びＢ２に示す一定振幅動と符号Ｂ３に示す振幅変調刺激とを比較させ、振幅変調波がどれかを答えさせる。図３においては強制三選択肢弁別実験で得られた正答率が、信号検出理論に基づく弁別性能指標であるSensitivity（d’: d-prime）で表されており、d’が１以下になると正答率が約６割を下回ることを意味している。
【0037】
図３に示すグラフによれば、包絡線成分を弁別可能な周波数の上限値は８０～１２５Ｈｚ程度である。また、この周波数上限値以上の包絡成分は保つ必要が無く、振動エネルギーを保ったまま振幅変調波のキャリア周波数を置き換えてれば刺激を分別できないことを示している。
【0038】
前述のように、振動エネルギーを保ったとしても、エネルギーが低周波域で変動する場合は、その変動が触覚情報の違いとして知覚できる場合があり、その知覚範囲は調査されていなかった。そこで、知覚できる低周波の変動の上限値が８０～１２５Ｈｚ程度にあることが発見されたことに基づき、２つの対策（後述する対策［１］及び対策［２］を参照）により低周波成分を維持しながら、振動エネルギーの変換を行なうこととする。
【0039】
【0040】
ヒトの高周波知覚は、波形そのものよりも振動エネルギーに基づいているため、振動エネルギーを保てば同じ感覚と感じられる。ただし、振動エネルギーの変動が８０～１２５Ｈｚ程度以下で起こっている場合は、その振動エネルギーの変動を再現する必要がある。
【0041】
そこで、本実施形態の一例では、所定の周波数（例えば、８０～１２５Ｈｚ程度）以下の振動エネルギーの変動を維持する手段として、例えば、８０～２００Ｈｚ程度の区間で、振動を時分割し、セグメント毎に振動エネルギーを求め、異なりキャリア周波数をもつ振動に置換する。
【0042】
図５に示す例では、符号Ｃ１に示す元の振動信号と、符号Ｃ２に示す変換後の信号とにおいて、同じ時間セグメント内で、変換後の信号のエネルギーが元の振動信号のエネルギーと同じになるように変換されている。
【0043】
時分割の幅（別言すれば、分割幅）は、８０～１２５Ｈｚ以下のエネルギー変動が表現できる程度（別言すれば、変動の山が合う程度）に設定されればよい（対策［１］）。分割幅の周波数は、８０～１２５Ｈｚ以上であってもよいが、分割幅を短くし過ぎると分割幅よりも長い周期の振動エネルギーの推定精度が悪くなる。そこで、下記の対策［２］によって、エネルギーを推定できない振動は波形をそのまま出力する。
【0044】
また、所定の周波数以下の成分を取り出して、そのまま刺激振動として提示してもよい（対策［２］）。なお、所定の周波数は８０～１２５Ｈｚ以上であってもよいが、所定の周波数成分以上の成分は、第２信号成分のエネルギー制御部１１３によって表現されてもよい。これにより、周波数選択に任意性を持たせることができる。ただし、所定の周波数を高周波に設定しすぎると、騒音の問題が発生したり、広帯域のバイブレーション装置が必要になったりするおそれがある。
【0045】
上記対策［１］及び対策［２］によれば、所定の周波数は、８０～４００Ｈｚ程度であってもよい。４００Ｈｚは、騒音問題とバイブレーション装置の性能の観点からの上限である。
【0046】
所定の周波数の設定には、振動を変換する際のキャリア周波数の選定も関わる。ヒトの知覚感度が良くなる振動周波数のピークは２００～２５０Ｈｚあたりにあることから、感度を高めつつ、騒音にならないキャリア周波数としては、１５０～４００Ｈｚ程度が実用的である。キャリア周波数は、分割幅の定数倍であってよい。
【0047】
また、低周波と高周波とを分ける所定周波数と、エネルギーを計算する分割幅の周波数とは、必ずしも一致させなくてもよい。
【0048】
引用文献４によれば、ヒトの知覚可能性を向上されるために補正された振動エネルギーである補正エネルギーは、次の式で表せる。
【0049】
【数1】
【0050】
図６は、補正エネルギーの計算に用いられる振幅閾値Tfを表すグラフである。
【0051】
図６に示すように、振幅閾値は周波数によって異なり、およそ１０２～１０３Ｈｚの範囲では比較的小さな振幅でもヒトが感じることができるが、それ以外の範囲では比較的大きな振幅でなければヒトが感じることができない。
【0052】
図７は、補正エネルギーの計算に用いられる指数値bを表すグラフである。
【0053】
図７の指数値ｂは、従来報告されている４００Ｈｚ以下の指数値ｂを線形補間した値を用いる例である。
【0054】
【0055】
符号Ｄ１に示すように、高域信号Ｈ（ｔ）が入力される。符号Ｄ２に示すように、高域信号Ｈ（ｔ）がフレームｉ，ｉ＋１，ｉ＋２，・・・毎に信号ｈｉ，ｈｉ＋１，ｈｉ＋２，・・・としてそれぞれフレーム分割される。符号Ｄ３に示すように、分割された各フレームの信号ｈが、代表的な周波数成分をもつ複数の基底信号ｇ１，ｇ２，ｇ３・・・に分離される。符号Ｄ４に示すように、代表周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３・・・に基づき、全ての基底信号ｇ１，ｇ２，ｇ３・・・の補正エネルギーを合成したスカラ値Ｅｉ，Ｅｉ＋１，Ｅｉ＋２，・・・が出力される。符号Ｄ５に示すように、各フレームｉで算出された振動エネルギーのスカラ値Ｅｉ，Ｅｉ＋１，Ｅｉ＋２，・・・が、同等の振動エネルギーを持つが別のキャリア周波数を持つ振動波形に変換され、その波形の振幅ａｉ（ｔ），ａｉ＋１（ｔ），ａｉ＋２（ｔ），・・・に対して窓関数を用いた窓掛け処理が実施される。符号Ｄ６に示すように、１～Ｎ番目のフレームについてフレーム合成が行なわれ、振動波形の振幅Ａ（ｔ）が出力される。符号Ｄ７に示すように、振幅がＡ（ｔ）となるようなキャリア周波数をもつ第２振動波形Ｓ２（ｔ）が出力される。
【0056】
【0057】
図８の窓関数を利用して高域信号Ｈ（ｔ）から生成した符号Ｅ１に示す第２振動波形Ｓ２（ｔ）は、低域信号Ｌ（ｔ）をそのまま出力した符号Ｅ２に示す第１振動波形Ｓ１（ｔ）と合成される。これにより、符号Ｅ３に示す、合成波形Ｓ１（ｔ）＋Ｓ２（ｔ）が出力される。
【0058】
【0059】
図１０においては、バイオリンの音の変換前の波形（符号Ｆ１参照）と変換後の波形（符号Ｆ２参照）とが、時間毎の振幅によって表されている。
【0060】
バイオリンのような高周波振動の音は、従来の触覚振動では聴覚ノイズが大きく発生してしまい、またローパスフィルタをかけるとヒトが認知できる振動が消えてしまう。そこで、波形が時間毎に低周波のキャリア周波数をもつ単一波長となるように、補正エネルギーが算出される。
【0061】
【0062】
図１１に示す信号除去部１１１ａ及び低域通過濾波器１１１ｂは、図１に示した周波数除去制御部１１１に対応する。また、図１１に示すエネルギー振動変換部１１４ａ，第２振動生成部１１４ｂ及び第１振動生成部１１４ｃは、図１に示した信号出力部１１４に対応する。
【0063】
信号除去部１１１ａは、取得された変換前の信号Ｘ（ｔ）から所定の周波数以下の成分を除去して高域信号Ｈ（ｔ）を生成して、時間分割制御部１１２に入力する（ステップＳ１）。
【0064】
時間分割制御部１１２は、高域信号Ｈ（ｔ）をＮ個のフレームに時間分割して、時間分割されたｉ番目のフレームの信号ｈｉをエネルギー制御部１１３に入力する（ステップＳ２）。なお、フレーム数Ｎは、所定の周期と窓掛け処理のオーバーラップ率とによって決定されてよい。
【0065】
エネルギー制御部１１３は、ｉ番目のフレームの信号ｈｉについて補正エネルギーｅｉを算出し、算出した補正エネルギーをエネルギー振動変換部１１４ａに入力する（ステップＳ３）。
【0066】
エネルギー振動変換部１１４ａは、１～Ｎ番目のフレームの補正エネルギーｅ１～ｅＮのそれぞれを合成した信号Ａ（ｔ）を生成して、第２振動生成部１１４ｂに入力する（ステップＳ４）。
【0067】
第２振動生成部１１４ｂは、合成された信号Ａ（ｔ）に基づき、第２振動波形Ｓ２（ｔ）を出力する（ステップＳ５）。
【0068】
一方、低域通過濾波器１１１ｂは、取得された変換前の信号Ｘ（ｔ）から所定の周波数以下の成分を過濾した低域信号Ｌ（ｔ）を第１振動生成部１１４ｃに入力する（ステップＳ６）。
【0069】
第１振動生成部１１４ｃは、低域信号Ｌ（ｔ）に基づき、第１振動波形Ｓ１（ｔ）を出力する（ステップＳ７）。
【0070】
【0071】
図１２に示すように、エネルギー制御部１１３は、基底信号分離制御部１１３ａ，代表周波数算出部１１３ｂ，エネルギー補正パラメータ算出部１１３ｃ及び補正エネルギー算出部１１３ｄとして機能する。
【0072】
基底信号分離制御部１１３ａは、入力信号である時間分割されたｉ番目のフレームの信号ｈｉを代表的な周波数成分をもつ複数の基底信号ｇに分離し、分離されたｋ番目の基底信号ｇｋを代表周波数算出部１１３ｂに入力する（ステップＳ１１）。例えば、短時間フーリエ解析やウェーブレット解析，Empirical Mode Decomposition（ＥＭＤ）法などによって、信号が分離されてよい。
【0073】
代表周波数算出部１１３ｂは、例えば離散フーリエ解析やHilbert Spectrum解析などによって、ｋ番目の基底信号ｇｋの代表周波数ｆｋを算出し、エネルギー補正パラメータ算出部１１３ｃに入力する（ステップＳ１２）。
【0074】
エネルギー補正パラメータ算出部１１３ｃは、代表周波数ｆｋに基づき、図６を用いて説明した指数値Ａｋ及び振幅閾値Ｔｋを算出し、補正エネルギー算出部１１３ｄに入力する（ステップＳ１３）。
【0075】
補正エネルギー算出部１１１ｄは、指数値Ａｋ及び振幅閾値Ｔｋに基づき、数１で示した数式に従って、補正エネルギーＩｐｃを基底信号ｇｋ毎に算出し、全ての基底信号ｇｋの補正エネルギーを合算したスカラ値ｅｉを出力する（ステップＳ１４）。
【0076】
【0077】
エネルギー振動変換部１１４ａは、エネルギー等価変換部１１４１ａ，窓掛け処理部１１４２ａ及びフレーム合成部１１４３ａとして機能する。
【0078】
図１３に示すように、エネルギー等価変換部１１４１ａは、各フレームｉで算出された振動エネルギーのスカラ値ｅｉを、同等の振動エネルギーを持つが別のキャリア周波数を持つ振動波形に変換し、その波形の振幅ａｉ（ｔ）を窓掛け処理部１１４２ａに対して出力する（ステップＳ２１）。
【0079】
窓掛け処理部１１４２ａは、入力された各フレームｉの振幅ａｉ（ｔ）に対して図８に示した窓関数を用いた窓掛け処理を行ない、処理結果をフレーム合成部１１４３ａに入力する（ステップＳ２２）。
【0080】
フレーム合成部１１４３ａは、１～Ｎ番目のフレームについての窓掛け処理部１１４２ａからの入力についてフレーム合成を行ない、振動波形の振幅Ａ（ｔ）を出力する（ステップＳ２３）。
【0081】
【0082】
図１４に示すように、第２振動生成部１１４ｂは、振幅振動変換部１１４１ｂ及び波形出力部１１４２ｂとして機能する。第２振動生成部１１４ｂは、入力された信号Ａ（ｔ）を持ち、キャリア周波数を持つ正弦波を出力する。生成される波形は、振動が滑らかに繋がるように位相が制御されてよい。
【0083】
振幅振動変換部１１４１ｂは、入力された振幅Ａ（ｔ）を振動に変換する（ステップＳ３１）。
【0084】
波形出力部１１４２ｂは、振幅がＡ（ｔ）になるように、キャリア周波数をもつ正弦波Ｓ２（ｔ）を出力する（ステップＳ３２）。
【0085】
〔Ｃ〕効果
実施形態の一例における振動制御装置１，信号制御プログラム及び信号制御方法によれば、例えば、以下の作用効果を奏することができる。
実施形態の一例における振動制御装置１，信号制御プログラム及び信号制御方法によれば、例えば、以下の作用効果を奏することができる。
【0086】
周波数除去制御部１１１は、所定周波数以下の周波数を有する第１の信号成分を信号から除去する。時間分割制御部１１２は、周波数除去制御部１１１によって除去された前記第１の信号成分以外の信号における第２の信号成分を所定時間毎に分割する。エネルギー制御部１１３は、時間分割制御部１１２によって分割された所定時間毎に、第２の信号成分のエネルギーを維持しながら第２の信号成分の波形を変換する。これにより、ヒトが知覚しやすい高周波帯域の振動を生成できる。また、高周波帯域の振動によって発生する聴覚ノイズの発生を抑止できる。
【0087】
所定周波数の下限値は、８０Ｈｚから１２５Ｈｚまでの範囲内の周波数である。これにより、変換対象である高周波帯域の信号成分を効率的に抽出できる。
【0088】
信号出力部１１４は、エネルギー制御部１１３による波形の変換後の第２の信号成分に加えて、周波数除去制御部１１１によって除去された第１の信号成分を出力する。これにより、変換対象ではない低周波帯域の信号成分はそのままバイブレーション装置に出力することができる。
【0089】
信号出力部１１４によって出力された第１の信号成分については、複数のバイブレーション装置のうちの低周波バイブレーション３２によって振動が生成される。また、信号出力部１１４によって出力された第２の信号成分については、複数のバイブレーション装置のうちの高周波バイブレーション３１によって振動が生成される。これにより、高周波帯域の振動と低周波帯域の振動とをヒトにリアルに体感させることができる。
【0090】
〔Ｄ〕その他
開示の技術は上述した各実施形態に限定されるものではなく、各実施形態の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。各実施形態の各構成及び各処理は、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせてもよい。
開示の技術は上述した各実施形態に限定されるものではなく、各実施形態の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。各実施形態の各構成及び各処理は、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせてもよい。
【0091】
図１に示した振動発生システム１００では、高周波バイブレーション３１と低周波バイブレーション３２とを備えることとしたが、これに限定されるものではない。振動発生システム１００に備えられるバイブレーションの数は、種々変更することができる。
【0092】
【0093】
図１５に示す例では、図１に示したＤＡＣ２は、高域ゲイン調整器２１ａ，低域ゲイン調整器２１ｂ，高域用振動装置駆動回路２２ａ及び低域用振動装置駆動回路２２ｂとして機能する。また、図１に示した高周波バイブレーション３１及び低周波バイブレーション３２は、高域用振動装置３１０及び低域用振動装置３２０としてそれぞれ機能する。
【0094】
高域ゲイン調整器２１ａは、振動制御装置１から入力された第２振動波形Ｓ２（ｔ）を、高域用振動装置駆動回路２２ａを介して、高域用振動装置３１０に出力する。また、低域ゲイン調整器２１ｂは、振動制御装置１から入力された第１振動波形Ｓ１（ｔ）を、低域用振動装置駆動回路２２ｂを介して、低域用振動装置３２０に出力する。
【0095】
【0096】
図１５に示す例では、図１に示したＤＡＣ２は、高域ゲイン調整器２１ａ，低域ゲイン調整器２１ｂ及び振動装置駆動回路２２として機能する。また、図１に示した高周波バイブレーション３１及び低周波バイブレーション３２は、振動装置３０として機能する。
【0097】
高域ゲイン調整器２１ａ及び低域ゲイン調整器２１ｂは、振動制御装置１から入力された第２振動波形Ｓ２（ｔ）及び第１振動波形Ｓ１（ｔ）をそれぞれ、共通の振動装置駆動回路２２を介して、共通の振動装置３０に出力する。
【符号の説明】
【0098】
１００ ：振動発生システム
１ ：振動制御装置
１１ ：ＣＰＵ
１１１ ：周波数除去制御部
１１１ａ ：信号除去部
１１１ｂ ：低域通過濾波器
１１１ｄ ：補正エネルギー算出部
１１２ ：時間分割制御部
１１３ ：エネルギー制御部
１１３ａ ：基底信号分離制御部
１１３ｂ ：代表周波数算出部
１１３ｃ ：エネルギー補正パラメータ算出部
１１３ｄ ：補正エネルギー算出部
１１４ ：信号出力部
１１４ａ ：エネルギー振動変換部
１１４ｂ ：第２振動生成部
１１４ｃ ：第１振動生成部
１１４１ａ ：エネルギー等価変換部
１１４２ａ ：窓掛け処理部
１１４３ａ ：フレーム合成部
１１４１ｂ ：振幅振動変換部
１１４２ｂ ：波形出力部
１２ ：メモリ
１３ ：記憶装置
２ ：ＤＡＣ
２１ａ ：高域ゲイン調整器
２１ｂ ：低域ゲイン調整器
２２ ：振動装置駆動回路
２２ａ ：高域用振動装置駆動回路
２２ｂ ：低域用振動装置駆動回路
３０ ：振動装置
３１ ：高周波バイブレーション
３２ ：低周波バイブレーション
３１０ ：高域用振動装置
３２０ ：低域用振動装置
１ ：振動制御装置
１１ ：ＣＰＵ
１１１ ：周波数除去制御部
１１１ａ ：信号除去部
１１１ｂ ：低域通過濾波器
１１１ｄ ：補正エネルギー算出部
１１２ ：時間分割制御部
１１３ ：エネルギー制御部
１１３ａ ：基底信号分離制御部
１１３ｂ ：代表周波数算出部
１１３ｃ ：エネルギー補正パラメータ算出部
１１３ｄ ：補正エネルギー算出部
１１４ ：信号出力部
１１４ａ ：エネルギー振動変換部
１１４ｂ ：第２振動生成部
１１４ｃ ：第１振動生成部
１１４１ａ ：エネルギー等価変換部
１１４２ａ ：窓掛け処理部
１１４３ａ ：フレーム合成部
１１４１ｂ ：振幅振動変換部
１１４２ｂ ：波形出力部
１２ ：メモリ
１３ ：記憶装置
２ ：ＤＡＣ
２１ａ ：高域ゲイン調整器
２１ｂ ：低域ゲイン調整器
２２ ：振動装置駆動回路
２２ａ ：高域用振動装置駆動回路
２２ｂ ：低域用振動装置駆動回路
３０ ：振動装置
３１ ：高周波バイブレーション
３２ ：低周波バイブレーション
３１０ ：高域用振動装置
３２０ ：低域用振動装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】