(57)【要約】      （修正有）【課題】熱感覚伝送についての熱バイラテラル制御系を構築することで熱感覚伝送の性能を向上させ，システムの多自由度拡張化を図る。【解決手段】例えば利用者の手Ａが接触する熱感覚伝送システム（マスタシステムＥ，スレーブシステムＦ）において，それぞれの熱センサ２，２'の検出温度を一致させ，かつ各システムへの流入熱量の和が「０」となるように，加熱冷却駆動部１，１'の駆動電流を制御する。ペルチェ素子および熱センサ２，２'それぞれの側に流入する外乱熱流の影響を補償し，また，熱センサ２，２'の体積および熱容量の存在により当該熱センサ内を流れる熱流の熱エネルギーが一部吸収されることを補償するため，外乱熱流推定部３，３'（熱外乱オブザーバ）や流入熱量推定部４，４'（流入熱量オブザーバ）を設ける。【選択図】図２
2014003402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱感覚対象環境としての任意の環境との間に介在し，当該環境が接触したことにともなう流入熱量および温度それぞれの変化を同時に制御する熱感覚伝送システムであって，
熱デバイスからなる加熱冷却駆動部と，
前記流入熱量および前記温度を検出するための熱情報検出部と，を少なくとも備え，
前記熱情報検出部の作動によりえられる制御用流入熱量とその比較流入熱量とに基づく熱流制御情報，および前記熱情報検出部の検出温度とその比較温度に基づく温度制御情報を用いて，前記制御用流入熱量と前記比較流入熱量との和をゼロにし，かつ前記検出温度と前記比較温度とを一致させることを目標とする形の，前記熱デバイスの駆動制御がおこなわれるように構成した，
ことを特徴とする熱感覚伝送システム。
【請求項２】
前記熱流制御情報および前記温度制御情報を求める制御部を備えた，
ことを特徴とする請求項１記載の熱感覚伝送システム。
【請求項３】
前記熱情報検出部の検出流入熱量および前記検出温度に基づいて前記制御用流入熱量を求める流入熱量推定部を備えた，
ことを特徴とする請求項１または２記載の熱感覚伝送システム。
【請求項４】
前記熱デバイスおよび前記熱情報検出部へ流入する外乱熱流を，当該熱デバイスの駆動情報および前記検出温度に基づいて求める外乱熱流推定部を備え，
前記外乱熱流推定部で求めた外乱熱流情報が前記熱デバイスの参照駆動情報として付加されるように構成した，
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱感覚伝送システム。
【請求項５】
前記制御部は，
前記制御用流入熱量および前記比較流入熱量の和差演算をおこなう第一の和差演算部と，
当該第一の和差演算部の出力情報に基づいて前記熱流制御情報を作成する流入熱量制御部と，
前記検出温度および前記比較温度の和差演算をおこなう第二の和差演算部と，
当該第二の和差演算部の出力情報に基づいて前記温度制御情報を作成する温度制御部と，を備えている，
ことを特徴とする請求項２記載の熱感覚伝送システム。
【請求項６】
前記流入熱量制御部または前記温度制御部は，
それぞれ比例微分制御部である，
ことを特徴とする請求項３または４記載の熱感覚伝送システム。
【請求項７】
複数の前記環境間に介在し，
複数の前記環境が個々に接触して，それぞれ前記加熱冷却駆動部および前記熱情報検出部を備えた複数の熱デバイスシステムからなり，
前記制御部は，
前記熱デバイスシステムのそれぞれを制御し，
前記比較流入熱量は，
前記熱デバイスシステムの熱情報検出部の作動によりえられる制御用流入熱量であり，
前記比較温度は，
前記熱デバイスシステムの熱情報検出部の検出温度である，
ことを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載の熱感覚伝送システム。
【請求項８】
前記比較流入熱量および前記比較温度が保持された熱情報保存部を備えている，
ことを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載の熱感覚伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，熱感覚伝送システムに関する。特に，熱感覚対象環境としての任意の環境との間に介在し，当該環境が接触したことにともなう流入熱量および温度それぞれの変化を同時に制御する熱感覚伝送システムに関する。
【０００２】
現在の通信工学やマルチメディア産業においては主に音声と映像情報が扱われているが，近年では第３のメディア情報として触覚情報が注目を集めており，触覚情報の伝送や提示等をおこなうハプティクスという学問が発展を見せている。
【０００３】
触覚情報は物の硬さに関する力覚，物体の表面粗さによる面触覚，そして温かさや冷たさに関する熱感覚といった複数の要素によって成り立っている。本発明はその中でも熱感覚に焦点を当てたものである。
【０００４】
なお，本明細書では「接触」の語を，熱感覚対象環境がマスタ・スレーブシステムなどの熱感覚伝送システムに直接接触する場合のみではなく，両者が離間しているものの熱感覚対象環境と熱感覚伝送システムとの間で熱の移動が生じるようないわば間接接触も含む意で用いる。
【背景技術】
【０００５】
熱感覚伝送に関して，加熱，冷却がそれぞれ可能なペルチェ素子を用いてマスタ・スレーブシステムを構築し，当該二つのシステム間において熱バイラテラル制御をおこなう手法が提案されている。
【０００６】
この熱バイラテラル制御としては，
(11)マスタシステムの温度をスレーブシステムのそれに一致させる，
(12)マスタシステムに流入する熱流をスレーブシステムに流入するそれに一致させる，
(13)マスタシステムでは温度制御をおこないスレーブシステムでは熱流を制御する，
などがある。
【０００７】
マスタ・スレーブ熱システムを用いて熱感覚を伝送する場合，理想的にはマスタシステムとスレーブシステムとの温度が一致するようにし，その上でマスタシステムに外部から流れ込む熱流とスレーブシステムに流れ込む熱流の和がゼロとなるようにマスタ・スレーブシステムを制御する必要がある。
【０００８】
しかしながら，従来の手法では，温度と熱流の制御を同時におこなっていない，あるいは温度制御と熱流制御がシステムごとに分かれているといったことにより，理想的な熱感覚伝送を実現するための制御がおこなわれていない。
【０００９】
また，熱流情報の取得に熱流束センサを用いていたが，過渡状態においてはセンサ自体が持つ熱容量によって外部からの流入熱を吸収してしまい，正確な情報をフィードバックできない。
【００１０】
従来の手法では，マスタ・スレーブシステムの温度または熱流を一致させている。この場合，鮮明な熱感覚伝送をおこなうことが困難である。
【００１１】
また，従来手法の中にはマスタシステムで温度制御し，スレーブシステムで熱流制御をおこなうことで熱感覚伝送の性能を向上させている。
【００１２】
この場合，制御において対称性がなく，マスタシステムを介してスレーブシステムの環境に触れることは可能であっても，その逆は困難であった。
【００１３】
また，ペルチェ素子の熱デバイスを用いてマスタ・スレーブシステムを構築し，熱制御をおこなう先行技術は存在している。しかしながら，熱感覚呈示に必要な温度制御と熱流制御を同時に実現したものはない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００４−５６１６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は，ロバストな熱制御システムを構築することで，これらの問題点を改善し，熱感覚伝送の性能を向上させることを目的とする。
【００１６】
本発明は，ペルチェ素子に代表されるような熱デバイスを用いたマスタ・スレーブシステムにおいて両システムの温度が一致し，かつ，各システムに流入する熱流の和がゼロとなるようにマスタ・スレーブシステムに制御信号を割り当てる制御系を構築する。
【００１７】
この制御系構築により，マスタシステムに接触している環境はスレーブシステムの環境と熱的につながっているような状態に近づき，熱感覚伝送の性能を向上させることを目的とする。
【００１８】
また，外部からの流入熱量に関しては，熱流束センサ（熱センサ）の出力とのずれを流入熱量オブザーバに基づいて補償する，すなわち実流入熱量の推定をおこなうようにしている。これにより，熱流束センサよりも精度よく流入熱量情報を検出することを目的とする。
【００１９】
また，温度および熱流を同時に考慮し，マスタ・スレーブシステムに制御信号を割り当てることで熱感覚伝送の鮮明さを向上させることを目的とする。
【００２０】
本発明は制御の対称性を保持しており，マスタ，スレーブに関係なく相互に熱感覚を伝送しあうことが可能となっている。
これにより，マスタ・スレーブのような１対１の熱感覚伝送に限らず，１対多，多対１，多対多といったマルチラテラルシステムへの拡張を図ることを目的とする。
【００２１】
本発明は熱感覚伝送についてのロバストな制御システムを構築し，それに基づいた熱バイラテラル制御系を構築することで熱感覚伝送の性能を向上させ，システムを多自由度に拡張することを目的とする。
【００２２】
さらには，熱源（流入熱量および温度）をデータに置き換えて保存された熱感覚を任意の時刻に再現することを目的とする（図３，４参照）。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は，以上の課題を次のようにして解決する。
（１）熱感覚対象環境としての任意の環境（例えば後述のマスタ環境Ａ，スレーブ環境Ｂ）との間に介在し，当該環境が接触したことにともなう流入熱量および温度それぞれの変化を同時に制御する熱感覚伝送システムであって，
熱デバイス（例えば後述のペルチェ素子１ａ，１ａ'）からなる加熱冷却駆動部（例えば後述の加熱冷却駆動部１，１'）と，
前記流入熱量および前記温度を検出するための熱情報検出部（例えば後述の熱センサ２，２'）と，を少なくとも備え，
前記熱情報検出部の作動によりえられる制御用流入熱量とその比較流入熱量とに基づく熱流制御情報，および前記熱情報検出部の検出温度とその比較温度に基づく温度制御情報を用いて，前記制御用流入熱量と前記比較流入熱量との和をゼロにし，かつ前記検出温度と前記比較温度とを一致させることを目標とする形の，前記熱デバイスの駆動制御がおこなわれるように構成した，
ものを用いる。
（２）上記（１）において，
前記熱流制御情報および前記温度制御情報を求める制御部（例えば後述のシステム制御手段Ｇ）を備えた，
ものを用いる。
（３）上記（１），（２）において，
前記熱情報検出部の検出流入熱量および前記検出温度に基づいて前記制御用流入熱量を求める流入熱量推定部（例えば後述の流入熱量推定部４，４'）を備えた，
ものを用いる。
（４）上記（１），（２），（３）において，
前記熱デバイスおよび前記熱情報検出部へ流入する外乱熱流を，当該熱デバイスの駆動情報および前記検出温度に基づいて求める外乱熱流推定部（例えば後述の外乱熱流推定部３，３）を備え，
前記外乱熱流推定部で求めた外乱熱流情報が前記熱デバイスの参照駆動情報として付加されるように構成した，
ものを用いる。
（５）上記（２）において，
前記制御部は，
前記制御用流入熱量および前記比較流入熱量の和差演算をおこなう第一の和差演算部（例えば後述の和差演算部８）と，
当該第一の和差演算部の出力情報に基づいて前記熱流制御情報を作成する流入熱量制御部と（例えば後述の流入熱量制御部９），
前記検出温度および前記比較温度の和差演算をおこなう第二の和差演算部（例えば後述の和差演算部６）と，
当該第二の和差演算部の出力情報に基づいて前記温度制御情報を作成する温度制御部（例えば後述の温度制御部７）と，を備えた，
ものを用いる。
（６）上記（３），（４）において，
前記流入熱量制御部または前記温度制御部は，
それぞれ比例微分制御部である，
ものを用いる。
（７）上記（２），（３），（４），（５），（６）において，
複数の前記環境間に介在し，
複数の前記環境が個々に接触して，それぞれ前記加熱冷却駆動部および前記熱情報検出部を備えた複数の熱デバイスシステム（例えば後述のマスタシステムＣ，ＥおよびスレーブシステムＤ，Ｆ）からなり，
前記制御部は，
前記熱デバイスシステムのそれぞれを制御し，
前記比較流入熱量は，
前記熱デバイスシステムの熱情報検出部の作動によりえられる制御用流入熱量であり，
前記比較温度は，
前記熱デバイスシステムの熱情報検出部の検出温度である，
ものを用いる。
（８）上記（２），（３），（４），（５），（６）において，
前記比較流入熱量および前記比較温度が保持された熱情報保存部（例えば後述の温度・流入熱量保存部１０，１１）を備えた，
ものを用いる。
【００２４】
本発明は，以上の構成からなる熱感覚伝送システムを対象としている。
【００２５】
このように本発明の熱感覚伝送システムは，
・加熱冷却駆動部および熱情報検出部からなり，さらには流入熱量推定部，外乱熱流推定部を付加した形の最狭義の熱感覚伝送システム（図示のマスタシステム，スレーブシステムのそれぞれ：これを必要に応じて「熱デバイスシステム」という）
・マスタシステムに制御部を含んだ形の狭義の熱感覚伝送システム
・マスタシステム，制御部およびスレーブシステムからなる広義の熱感覚伝送システム
といったそれぞれの構成態様でとらえられる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は以上の構成をとることにより，
(21)熱感覚伝送の性能を向上させる，
(22)熱流束センサよりも精度よく流入熱量情報を検出する，
(23)熱感覚伝送の鮮明さを向上させる，
(24)マスタ，スレーブに関係なく相互に熱感覚を伝送しあう，
(25)マルチラテラルシステムへの拡張を図る，
(26)データ保存された熱感覚を任意の時刻に再現する，
ことなどができるといった効果を奏している。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】マスタ環境Ａが接触するマスタシステムＣ，スレーブ環境Ｂが接触するスレーブシステムＤおよびシステム制御手段Ｇからなる熱感覚伝送システムを示す説明図である。
【図２】図１のマスタ・スレーブシステムのそれぞれに流入熱量推定機能と外乱熱流推定機能とを持たせマスタシステムＥおよびスレーブシステムＦからなる熱感覚伝送システムを示す説明図である。
【図３】図１のスレーブシステムＤに代えて熱源情報（流入熱量および温度）保存部を用いた熱感覚伝送システムを示す説明図である。
【図４】図２のスレーブシステムＦに代えて熱源情報（流入熱量および温度）保存部を用いた熱感覚伝送システムを示す説明図である。
【図５】ペルチェ素子からなる熱デバイスを示す説明図である。
【図６】熱デバイスのブロック線図を示す説明図である。
【図７】マスタ・スレーブシステム（熱デバイスシステム）を用いた熱感覚伝送の概要を示す説明図である。
【図８】図７のマスタ・スレーブシステムの理想状態の等価電気回路を示す説明図である。
【図９】図６の等価変換ブロック線図を示す説明図である。
【図１０】ペルチェ素子側に構築した熱外乱オブザーバのブロック線図を示す説明図である。
【図１１】熱センサ側に構築した熱外乱オブザーバのブロック線図を示す説明図である。
【図１２】熱センサの流入熱量オブザーバのブロック線図を示す説明図である。
【図１３】図１０，図１１の熱外乱オブザーバおよび図１２の流入熱量オブザーバを用いて構築した熱バイラテラル制御系のブロック線図を示す説明図である。
【図１４】熱感覚伝送システムの検証に用いた実験システムを示す説明図である。
【図１５】図１４の実験結果（保冷剤を載せた場合）を示す説明図である。
【図１６】図１４の実験結果（お湯入りグラスを載せた場合）を示す説明図である。
【図１７】熱感覚伝送システムを電話や通信会話システムに応用した場合のイメージを示す説明図である。
【図１８】熱感覚伝送システムをマルチメディア放送に応用した場合のイメージを示す説明図である。
【図１９】熱感覚伝送システムをディジタルコンテンツ再生に応用した場合のイメージを示す説明図である。
【図２０】熱感覚伝送システムを触診医療に応用した場合のイメージを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１〜図２０に基づいて本発明の実施形態を説明する。
【００２９】
以上の図で用いるアルファベット付き参照番号の構成要素（例えばペルチェ素子１ａ）は原則として，当該参照番号の数字部分の構成要素（例えば加熱冷却駆動部１）の一部であることを示している。
【００３０】
また，図１および図示２のマスタ・スレーブシステムのそれぞれで用いる同一構成要素は同じ番号を用い，スレーブシステムの構成要素のほうに「'」を付している。例えばマスタシステムの加熱・冷却駆動部を「１」と記し，スレーブシステムの加熱・冷却駆動部を「１'」と記す。
【００３１】
図１〜図１３などにおいて，
Ａは任意の第一の熱感覚対象環境としてのマスタ環境（例えば人間の手）,
Ｂはマスタ環境Ａとは異なる第二の熱感覚対象環境としてのスレーブ環境（例えばマスタ環境から遠隔の地に存在する物体）,
Ｃはマスタ環境Ａが接触し，外乱熱流および流入熱量それぞれの推定機能を備えていないマスタシステム（図１，図３参照），
Ｄはスレーブ環境Ｂが接触し，外乱熱流および流入熱量それぞれの推定機能を備えていないスレーブシステム（図１参照），
Ｅはマスタ環境Ａが接触し，外乱熱流および流入熱量それぞれの推定機能を備えたマスタシステム（図２，図４参照），
Ｆはスレーブ環境Ｂが接触し，外乱熱流および流入熱量それぞれの推定機能を備えたスレーブシステム（図２参照），
Ｇは図１，図２のマスタ・スレーブシステム（Ｃ，Ｄ），（Ｅ，Ｆ）間の熱感覚伝送制御をおこない，図３，図４のマスタシステムＣ，Ｅそれぞれの熱感覚伝送制御をおこなうシステム制御手段，
をそれぞれ示している。
【００３２】
ここで，図１および図２のシステム制御手段Ｇは，マスタ・スレーブ環境Ａ，Ｂがそれぞれマスタ・スレーブシステム（Ｃ，Ｄ），（Ｅ，Ｆ）に接触した際に発生する各システムの熱情報（センサ検出流入熱量，推定流入熱量，センサ温度）に基づいて，当該システムそれぞれのセンサ温度を一致させ，かつ，それぞれの流入熱量の和を「０」にする，ことを目標としたマスタ・スレーブシステム（Ｃ，Ｄ），（Ｅ，Ｆ）間の熱感覚伝送制御をおこなう。
【００３３】
図３および図４のシステム制御手段Ｇは，マスタ環境ＡがマスタシステムＣ，Ｅに接触した際に発生する熱情報（センサ検出流入熱量，推定流入熱量，センサ温度）と後述の温度・流入熱量情報保存部１０のいわば検証済みの所定熱情報とに基づいて，当該マスタシステムのセンサ温度を当該所定熱情報中の温度情報に一致させ，かつ，当該マスタシステムの流入熱量と当該所定熱情報中の流入熱量情報の和を「０」にする，ことを目標としたマスタシステムＣ，Ｅそれぞれの熱感覚伝送制御をおこなう。
【００３４】
他の参照番号に関して，
１，１'はペルチェ素子などの熱デバイスからなり，マスタ・スレーブシステムそれぞれの熱センサ温度を一致させ，かつ，各システムの流入熱量の和を「０」を目標とする制御対象の加熱冷却駆動部（図５参照）,
１ａ，１ａ'は直流電流によって熱移動作用を呈するデバイスであって，電流の流れ方向を変えることにより加熱動作および冷却動作を選択的におこなうことが可能なペルチェ素子,
１ｂ，１ｂ'はペルチェ素子１ａ，１ａ'の下側に設けられて当該ペルチェ素子が吸熱した熱をそのまま放熱して放熱面温度を一定にする機能を備えたヒートシンク,
２，２'はペルチェ素子１ａ，１ａ'の上に，熱電対と一体になったシート状の形で設定されて，マスタ環境Ａおよびスレーブ環境ＢがそれぞれマスタシステムＣ，ＥおよびスレーブシステムＤ，Ｆに触れた際に発生する熱情報（流入熱量，温度）を検出する熱センサ（図５参照），
３，３'はマスタシステムＥおよびスレーブシステムＦの熱センサ２，２'で得られる温度情報（駆動部温度）および加熱冷却駆動部１，１'への駆動電流などに基づいて外乱熱流を推定する外乱熱流推定部，
３ａ，３ａ'は当該外乱熱流推定部を構成するペルチェ素子側の熱外乱オブザーバ（図１３参照），
３ｂ，３ｂ'は当該外乱熱流推定部を構成する熱センサ側の熱外乱オブザーバ（図１３参照），
４，４'は熱センサ２，２'で得られる温度情報（駆動部温度），流入熱量情報（検出流入熱量）に基づいてマスタシステムＥおよびスレーブシステムＦへの実流入熱量を推定する流入熱量推定部（流入熱量オブザーバ，図１３参照），
５，５'は後述の温度制御部７および流入熱量制御部９それぞれの出力データの和差演算により，加熱冷却駆動部１，１'への駆動電流を出力する和差演算部，
をそれぞれ示している。
【００３５】
また，システム制御手段Ｇにおいて，
６は〔図１，図２の〕熱センサ２，２'それぞれから得られる各システム（マスタ・スレーブシステム）の検出温度情報の減算処理を実行し，
〔図３，図４の〕熱センサ２から得られるマスタシステムＣ，Ｅの検出温度情報と温度・流入熱量情報保存部１０，１１の温度情報との減算処理を実行する和差演算部，
７はＰＤ制御器からなり，和差演算部６の出力情報がフィードバックされる温度制御部，
８は〔図１の〕熱センサ２，２'それぞれから得られる各システム（マスタ・スレーブシステム）の検出流入熱量の加算処理を実行し，
〔図２の〕流入熱量推定部４，４'それぞれから得られる各システム（マスタ・スレーブシステム）の流入熱量推定値の加算処理を実行し，
〔図３の〕熱センサ２から得られる検出流入熱量と温度・流入熱量情報保存部１０の流入熱量情報との加算処理を実行し，
〔図４の〕流入熱量推定部４から得られる流入熱量推定値と温度・流入熱量情報保存部１１の流入熱量推定情報との加算処理を実行する和差演算部，
９はＰＤ制御器からなり，和差演算部８の出力情報がフィードバックされる流入熱量制御部，
をそれぞれ示している。
【００３６】
また，図３および図４において，
１０は図１の熱感覚伝送システムでの熱バイラテラル制御を実行したさいの熱センサ２'の温度情報および流入熱量情報を保存した温度・流入熱量情報保存部（図３参照），
１１は図２の熱感覚伝送システムでの熱バイラテラル制御を実行したさいの熱センサ２'の温度情報および流入熱量推定部４'の流入熱量推定情報を保存した温度・流入熱量情報保存部（図４参照），
をそれぞれ示している。
【００３７】
図示の実施形態それぞれにいえる技術的特徴は，任意の環境（例えば利用者の手）が接触しえる熱感覚伝送システムにおいてその内部で熱を吸収することなく，かつ，温度勾配を持たないように加熱冷却駆動部１，１'を制御することである。
【００３８】
このような熱感覚伝送システムの構築により，当該システムに接触している任意の外部物体などがそのいわば相手方と熱的に直接つながった形の，熱感覚の伝送環境を提供することができる。
【００３９】
図１，図２などのマスタ・スレーブ環境間に介在する熱感覚伝送システムの基本的構成は，
(31)マスタ・スレーブシステムそれぞれの熱センサ２，２'の検出温度を一致させて，かつ，各システムへの流入熱量の和が「０」となるように，加熱冷却駆動部１，１'の駆動電流を制御し，
(32)さらには，この制御性能を向上させる，
すなわちペルチェ素子１ａ，１ａ'および熱センサ２，２'それぞれの側に流入する外乱熱流の影響を補償し，また熱センサ２，２'の体積および熱容量の存在により当該熱センサ内を流れる熱流の熱エネルギーが一部吸収されることを補償するため，
外乱熱流推定部３，３'（熱外乱オブザーバ）や流入熱量推定部４，４'（流入熱量オブザーバ）を設けた，
ことである。
【００４０】
また，図３，図４の温度・流入熱量情報保存部１０，１１およびマスタシステムＣ，Ｅからなる熱感覚伝送システムの基本的構成は，
(41)マスタシステムＣ，Ｅの熱センサ２の検出温度を温度・流入熱量情報保存部１０，１１に保持されている各温度情報に一致させ，かつ，マスタシステムへの流入熱量と，同じく当該保存部に保持されている流入熱量情報との和が「０」となるように，加熱冷却駆動部１の駆動電流を制御し，
(42)さらには，この制御性能を向上させる，
すなわちペルチェ素子１ａおよび熱センサ２それぞれの側に流入する外乱熱流の影響を補償し，また熱センサ２の体積および熱容量の存在により当該熱センサ内を流れる熱流の熱エネルギーが一部吸収されることを補償するため，
外乱熱流推定部３（熱外乱オブザーバ）や流入熱量推定部４（流入熱量オブザーバ）を設けた，
ことである。
【００４１】
以上の熱感覚伝送システムそれぞれにおける実測定データは，熱電対を備えた熱センサ２，２'によって検出される温度情報および流入熱量情報である。
【００４２】
流入熱量推定部（流入熱量オブザーバ）４，４'は，この流入熱量の実測定データから，上述のように熱センサ２，２'を熱流が通過する際にセンサ熱容量の存在などによりその熱エネルギーが一部吸収されて検出されないことを補償した形の，流入熱量推定値を求めている。
【００４３】
図５においてＴとｑはそれぞれ温度と熱流を示し，下付き文字ｏ，ｓｅｎ，ｃ，ｈはそれぞれ外部物体，熱センサ，素子冷却面，素子放熱面を示す。また，ｑｉｎおよびｑｐｌはそれぞれ流入熱量，素子による単位時間あたりの熱移動量を表す。
【００４４】
ここでペルチェ素子１ａ，１ａ'の上に熱電対と一体になったシート状の熱センサ２，２'（熱流束センサ）を設置しており，熱センサ温度およびセンサ内を流れる熱流情報を取得することが可能である。
【００４５】
ヒートシンク１ｂ，１ｂ'はペルチェ素子が吸熱した熱をそのまま放熱し，放熱面温度Ｔｈを一定にする効果を持つ。外部物体はシステムの上部において接触する。ペルチェ素子１ａ，１ａ'に直流電流を加えると，ペルチェ効果により下記の数式１に示す熱流ｑｐｌが発生する。
【００４６】
【数１】
2014003402.tif 000003
【００４７】
ここでαはゼーベック係数，Ｉは電流を示す。
素子吸熱面温度Ｔｃの変化を下記の数式２に示す。
【００４８】
【数２】
2014003402.tif 000004
【００４９】
ここでＣ，Ｒｅｌ，Ｒはそれぞれ熱容量，電気抵抗，熱抵抗を示しており，下付き文字ｐは素子内部を表している。数式２において，素子からセンサに流れる熱流ｑｓｅｎを下記の数式３に示す。
【００５０】
【数３】
2014003402.tif 000005
【００５１】
熱流ｑｓｅｎと流入熱量ｑｉｎによって，センサ温度Ｔｓｅｎは下記の数式４に従って変動する。センサはｑｓｅｎおよびＴｓｅｎの情報を出力する。
【００５２】
【数４】
2014003402.tif 000006
【００５３】
ここで，流入熱量ｑｉｎを下記の数式５に示す。熱システムに接触する外部物体が人間の手であった場合，手は流入熱量ｑｉｎに関して熱感覚を得ることになる。
【００５４】
【数５】
2014003402.tif 000007
【００５５】
以上の部分を考慮して構築したブロック線図を図６に示す。ブロック線図内では温度基準値に放熱面温度Ｔｈを用いている。またｑｏｕｔは熱流束センサの出力を示したものであるが，センサの特性に基づき１次遅れ要素を設けている。
【００５６】
マスタ・スレーブシステムを用いた熱感覚伝送の概要を図７に示す。図７において下付き文字ｍ，ｓはそれぞれマスタシステム，スレーブシステムを示している。
【００５７】
それぞれのシステムに接触している外部物体は熱抵抗および熱容量によって表される熱的なインピーダンスを有しているが，図７では熱回路網法に基づいて熱的なインピーダンスを等価電気回路に置き換えている。
【００５８】
理想的な熱感覚伝送とは，マスタシステムとスレーブシステム間の透明性が高く，マスタシステム上の外部物体がスレーブシステム上の外部物体と熱的に直接触れているように見える状態であると考えられる。
【００５９】
これを図７にあてはめると，マスタシステムの節点とスレーブシステムの節点が直接つながっている状態であると考えられる。理想状態の等価電気回路を図８に示す。この場合において，下記の数式６と数式７が成立する。
【００６０】
【数６】
2014003402.tif 000008
【数７】
2014003402.tif 000009
【００６１】
数式６と数式７は熱感覚伝送における目標式を示している。つまり，マスタ・スレーブシステムのセンサ温度を一致させ，かつ各システムの流入熱量の和を０にすることでそれぞれの外部物体の持つ熱的なインピーダンスが各システムにおいて相互に再現され，外部物体が熱的に直接つながっているようになる。
【００６２】
図７においては熱抵抗と熱容量は物体ごとに１つずつのみ設定しているが，例えば人間の手に流れる血液からの熱流等，他に熱的なインピーダンスが存在したとしても制御目標はマスタ・スレーブシステムの節点を直接結ぶことに変わりはなく，数式６と数式７が変わることはないと考えられる。
【００６３】
本発明は，上述の数式６および数式７それぞれの制御目標に基づく熱感覚伝送制御をおこなっている。
【００６４】
図６によってモデル化された熱システムのブロック線図を等価変換したものを図９に示す。図９においてｑｄｉｓｐとｑｄｉｓｓはそれぞれ素子側とセンサ側に流入する外乱熱流であり，その内容を下記の数式８と数式９に示す。
【００６５】
【数８】
2014003402.tif 000010
【数９】
2014003402.tif 000011
【００６６】
外乱熱流は熱流ｑｐｌによる熱システムの温度変化を妨げる要素であると考えることができる。本実施形態では，主にモーションコントロールの分野で用いられている外乱オブザーバの構造を熱分野に適用した熱外乱オブザーバを，素子側およびセンサ側に構築し，外乱熱流ｑｄｉｓｐとｑｄｉｓｓの補償をおこなう。
【００６７】
素子側に構築した熱外乱オブザーバを図１０，センサ側に構築した熱外乱オブザーバを図１１に示す。
【００６８】
図１０と図１１においてｇはノイズ低減用に設置されたローパスフィルタのカットオフ周波数を表しており，上付き文字ｒｅｆ，ｃｍｐ，＾，ｐ，ｓはそれぞれ参照値，補償値，推定値，素子側，熱センサ側を示している。
【００６９】
また，下付き文字ｄｉｓｐ，ｄｉｓｓ，ｄ，ｎはそれぞれ素子側の熱外乱オブザーバ用，センサ側の熱外乱オブザーバ用，疑似微分用，ノミナル値を示している。オブザーバの引数に吸熱面温度Ｔｃを設定しているが，この温度は実際に測定することはできないため，下記の数式１０により推定した値を用いている。
【００７０】
【数１０】
2014003402.tif 000012
【００７１】
ここで数式１０において，センサの応答性向上のために進み位相補償を設けている。熱外乱オブザーバによって推定された外乱熱流に基づき補償電流Ｉｃｍｐｐ，Ｉｃｍｐｓをペルチェ素子１ａ，１ａ'の電流参照値に加えることで，熱システムの外乱熱流に対するロバスト性が向上する。
【００７２】
数式７を満たすには流入熱量ｑｉｎｍおよびｑｉｎｓの情報を取得する必要がある。通常このような情報の取得においては熱流束センサを用いるものの，図６より熱流束センサの出力ｑｏｕｔと流入熱量ｑｉｎにずれが生じる恐れがあることが考えられる。
【００７３】
そこで本実施形態では外乱オブザーバの構造を適用した流入熱量オブザーバを構築し，流入熱量の推定をおこなう。流入熱量オブザーバのブロック線図を図１２に示す。
【００７４】
図１２において下付き文字ｉｎは流入熱量オブザーバ用であることを示している。流入熱量オブザーバの引数にｑｓｅｎを設定しているが，ここでは下記の数式１１に示すように熱センサ（熱流束センサ）２，２'の出力に進み位相補償を施したものを用いている。
【００７５】
【数１１】
2014003402.tif 000013
【００７６】
この流入熱量オブザーバを用いることで流入熱量は下記の数式１２の通りに推定され，熱センサ（熱流束センサ）２，２'よりも高い精度で流入熱量の情報を取得することが可能となる。
【００７７】
【数１２】
2014003402.tif 000014
【００７８】
熱外乱オブザーバと流入熱量オブザーバを用いて構築した熱バイラテラル制御系のブロック線図を図１３に示す。
【００７９】
制御目標である上述の数式６と数式７を満たすため，ここではマスタ・スレーブシステムのセンサ温度の差と流入熱量の和をそれぞれＰＤ制御器７，９にフィードバックし，当該ＰＤ制御器からの出力を足し合わせたものを熱流参照値ｑｒｅｆｍおよびｑｒｅｆｓとして設定する。
【００８０】
マスタ・スレーブシステムにおけるそれぞれの熱流参照値ｑｒｅｆｍおよびｑｒｅｆｓを下記の数式１３と数式１４に示す。
【００８１】
【数１３】
2014003402.tif 000015
【数１４】
2014003402.tif 000016
【００８２】
ここで，ＫとＤはそれぞれ比例ゲイン，微分ゲインを表しており，下付き文字ｔ，ｑはそれぞれ温度制御と流入熱量制御を示している。数式１３および数式１４による熱制御において外乱熱流は熱外乱オブザーバによって補償されるため，熱制御は高いロバスト性と共におこなわれる。
【００８３】
本発明の有効性を検証するため，以下の熱感覚伝送についての実験をおこなった。
【００８４】
実験に用いたシステムを図１４に示す。
図１４において電子回路はペルチェ素子への電流供給およびセンサ信号の増幅をおこない，電流に関しては図１３の制御系の内部ループに電流制御系を構築している。電圧源は電子回路を駆動させるために用い，端子台は制御用ＰＣと電子回路間で信号を送るために用いている。
【００８５】
具体的な実験方法を以下に示す。
まず，制御が始まった後に人間の手を外部物体としてマスタシステムに載せる。初期状態において手と熱システムには温度差があるため，手を載せた直後には熱流が発生するが，やがて熱平衡状態に移る。また，この時温度制御の効果によってマスタとスレーブシステムの温度は等しくなる。
【００８６】
手を載せて定常状態に落ち着くのを待ち，制御開始より２０秒後に保冷剤またはお湯を入れたグラスをもう１つの外部物体としてスレーブシステムに乗せる。
【００８７】
スレーブシステムの外部物体は１０秒後に離し，制御開始より４０秒後に再び１０秒間物体をスレーブシステムに乗せる。ここで，実験に用いたパラメータの値を下記の表１に示す。
【００８８】
【表１】
2014003402.tif 000017
【００８９】
保冷剤を載せた場合の結果を図１５に示し，お湯入りのグラスを載せた場合の結果を図１６に示す。図１５および図１６の（ａ），（ｂ）はそれぞれセンサ温度応答，流入熱量応答を示している。
【００９０】
この実験結果からは，両方の実験においてマスタ・スレーブシステムの温度が概して等しく，またスレーブシステムに流れ込んだ流入熱量がそのままマスタシステムにおいて生成されるよう制御がおこなわれていることがわかる。
【００９１】
これより，マスタシステムに乗っている手は保冷剤またはお湯入りグラスに直接触れている熱感覚を感じることが可能となる。
【００９２】
保冷剤の温度応答に関しては振動的な部分があるが，これは保冷剤と熱システムとの温度差がペルチェ素子の扱える範囲より大きかったためであると考えられる。扱える外部物体の温度範囲はペルチェ素子の性能に大きく依存しており，より性能の高いペルチェ素子を用いることでこの振動部分は緩和されるものと思料される。
【００９３】
このように，熱デバイスとしてのペルチェ素子を用いたマスタ・スレーブシステムから成る熱感覚伝送システムを構築し，熱感覚を伝送するための熱バイラテラル制御系を示し，その効果を検証している。
【００９４】
この熱感覚伝送システムにより，マスタシステム上に乗っている外部物体はスレーブシステム上の外部物体と熱的に直接接触した状態となるように制御がおこなわれ，実世界の環境に触れた際の熱感覚を伝送することが可能となった。
【００９５】
また，図３および図４で示したように，
・図１の熱感覚伝送システムにおける熱センサ２'の検出温度情報および検出流入熱量情報を保存した温度・流入熱量情報保存部１０
・図２の熱感覚伝送システムにおける熱センサ２'の検出温度情報および流入熱量推定部４'の流入熱量推定情報を保存した温度・流入熱量情報保存部１１
などの熱源データに基づく熱感覚を，マスタシステムなどの任意の環境接触システムで任意の時刻に再現する形の熱感覚伝送システムも提供している。
【００９６】
以上の熱感覚伝送システムは各種分野，例えば図１７〜図２０で示すような通信・娯楽分野や医療分野への適用が可能である。
【００９７】
図１７は熱感覚通信システムの例を示している。この例では，電話やＳｋｙｐｅ（登録商標：インターネット電話サービス）といったシステムに熱感覚通信要素を導入し，新たなコミュニケーションシステムを構築する。
【００９８】
本システムにおいては映像や音声情報に加え，物体に触れた際の温かみや冷たさを相互伝送することができ，遠隔通信におけるリアリティを向上させることが可能である。また，据置きのものでなく携帯電話に熱デバイスを組み込むことで，場所を問わず熱感覚を通信することも可能になると考えられる。
【００９９】
図１８はマルチメディア放送における熱感覚の付加の例を示している。この例によれば，１対１の遠隔通信システムだけでなく，マルチメディア放送といった１対多の通信システムにおいても熱感覚を導入することが可能である。
【０１００】
この場合はテレビに熱感覚呈示機能を付加することが予想されるため，放送に関する企業だけでなくテレビメーカーも実用化において興味を持つと思われる。
【０１０１】
図１９は熱感覚を含めたディジタルコンテンツの再生の例を示している。この例により提案する技術はリアルタイム通信だけでなく，一度保存しておいたディジタルコンテンツを再生する際にも適用が可能である。
【０１０２】
理論式ベースで再現をおこなう現行のバーチャルリアリティ技術とは異なり，実世界において発生した熱感覚を記録するため，実世界に基づく熱感覚再現をおこなうことが可能である。映像や音声といった他の感覚情報との同時再生や，テレビゲームにおける臨場感の向上等に対する適用が期待される。
【０１０３】
図２０は熱感覚に基づく遠隔触診の例を示している。医療行為をおこなう上で，患部が発熱しているかを判断する際には触診が有効となる。
【０１０４】
熱感覚通信システムを構築することで，医師が現地に行くことが困難であっても触診をおこなうことが可能となる。本システムにおいては通信する熱感覚にスケーリングを施すことができるため，通常より容易に患部の発熱を発見することも可能となる。
【０１０５】
上述した図３，図４のように温度・流入熱量情報保存部１０，１１の熱源データを用いる熱感覚伝送システムの場合，図示のマスタシステムに相当する任意の空間域での熱感覚がこの熱源データにいわばゆだねられることになる。すなわち例えば遠方の熱源データに基づく熱感覚をこの空間域で共有できることになる。
【０１０６】
なお，以上の実施形態の説明で用いたペルチェ素子は熱デバイスの一例にすぎず，本発明の熱感覚伝送システムがペルチェ素子を用いた熱システムに限定されるものでない，ことは勿論である。
【符号の説明】
【０１０７】
Ａ：マスタ環境（例えば人間の手）
Ｂ：スレーブ環境（例えばマスタ環境から遠隔の地に存在する物体）
Ｃ：外乱熱流，流入熱量の推定機能を備えていないマスタシステム（図１，図３）
Ｄ：外乱熱流，流入熱量の推定機能を備えていないスレーブシステム（図１）
Ｅ：外乱熱流，流入熱量の推定機能を備えたマスタシステム（図２，図４）
Ｆ：外乱熱流，流入熱量の推定機能を備えたスレーブシステム（図２）
Ｇ：システム制御手段
【０１０８】
１，１'：加熱冷却駆動部
１ａ，１ａ'：ペルチェ素子
１ｂ，１ｂ'：ヒートシンク
２，２'：熱センサ
３，３'：外乱熱流推定部
３ａ，３ａ'：ペルチェ素子側の熱外乱オブザーバ
３ｂ，３ｂ'：熱センサ側の熱外乱オブザーバ
４，４'：流入熱量推定部（流入熱量オブザーバ）
５，５'：和差演算部
【０１０９】
（システム制御手段Ｇおよび図３，図４において）
６：和差演算部
７：温度制御部（ＰＤ制御器）
８：和差演算部
９：流入熱量制御部（ＰＤ制御器）
１０：図１の熱感覚伝送システムに対応した温度・流入熱量情報保存部（図３）
１１：図２の熱感覚伝送システムに対応した温度・流入熱量情報保存部（図４）
【図１】
2014003402.tif 000018
【図２】
2014003402.tif 000019
【図３】
2014003402.tif 000020
【図４】
2014003402.tif 000021
【図５】
2014003402.tif 000022
【図６】
2014003402.tif 000023
【図７】
2014003402.tif 000024
【図８】
2014003402.tif 000025
【図９】
2014003402.tif 000026
【図１０】
2014003402.tif 000027
【図１１】
2014003402.tif 000028
【図１２】
2014003402.tif 000029
【図１３】
2014003402.tif 000030
【図１４】
2014003402.tif 000031
【図１５】
2014003402.tif 000032
【図１６】
2014003402.tif 000033
【図１７】
2014003402.tif 000034
【図１８】
2014003402.tif 000035
【図１９】
2014003402.tif 000036
【図２０】
2014003402.tif 000037