(57)【要約】  ユーザの指（９）の指腹と接触する表面（４．１）を有する、触覚刺激による表面接触のシミュレーションシステムであって、相互に直交して前記指（９）の前記指腹に略正接する第１および第２方向（Ｘ，Ｙ）に沿って前記表面を変位させる手段であって発生される刺激に応じて制御される変位手段を有するシステムであり、変位手段が電磁アクチュエータ（１４．１，１４．２）である。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザの皮膚のエリアと接触する刺激表面（４．１）を有し、触覚刺激による表面接触のシミュレーションシステムにおいて、
前記皮膚の前記エリアに略正接する少なくとも一つの第１方向に沿って前記刺激表面を変位させる手段であって発生される前記刺激に応じて制御される変位手段を有し、
前記変位手段が電磁アクチュエータ（１４．１，１４．２，１４．３，１４．４）であって、
各電磁アクチュエータ（１４．１，１４．２，１４．３，１４．４）が、ソレノイド（１８）と、前記ソレノイド（１８）が周りに配置されるコア（２０）と、を有し、前記可動要素（２）の面（２４）とともに空隙を画定する自由面（２２）を前記コアが備える、シミュレーションシステム。
【請求項２】
前記刺激表面を変位させる手段が、前記第１方向に直交して前記皮膚のエリアに略正接する第２方向（Ｘ，Ｙ）に沿って前記刺激表面を変位させることも可能である、請求項１に記載のシミュレーションシステム。
【請求項３】
前記刺激表面（４．１）を支持する可動要素（２）の周りにおいて相互に１２０°に分かれた状態で円形に配設された３個の電磁アクチュエータを有する、請求項１または２に記載のシミュレーションシステム。
【請求項４】
４個の電磁アクチュエータ（１４．１，１４．２，１４．３，１４．４）を有し、
そのうちの２個のアクチュエータ（１４．１，１４．２）が、前記刺激表面（４．１）を支持する可動要素（２）の各側で前記第１変位方向（Ｘ）に沿って配置され、
他の２個のアクチュエータ（１４．３，１４．３）が、前記刺激表面（４．１）を支持する前記可動要素（２）の各側で前記第２変位方向（Ｙ）に沿って配置される、請求項１または２に記載のシミュレーションシステム。
【請求項５】
前記コアの断面が前記可動要素（２）の方向に沿って縮小する、請求項１から４のいずれか一項に記載のシミュレーションシステム。
【請求項６】
前記電磁アクチュエータの各々の前記空隙を画定する前記面（２２，２４）が、前記第１（Ｘ）および第２（Ｙ）変位方向により規定される平面に対して、例えば２５°の角度だけ、傾斜している、請求項１から５のいずれか一項に記載のシミュレーションシステム。
【請求項７】
前記第１（Ｘ）および第２（Ｙ）方向に直交する第３方向（Ｚ）に沿って前記刺激表面（４．１）が移動することができ、前記第３方向（Ｚ）に沿った前記刺激表面の変位の手段を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載のシミュレーションシステム。
【請求項８】
前記第３方向（Ｚ）に沿った前記変位の手段が前記第１（Ｘ）および第２（Ｙ）方向に沿った前記変位の手段と一致する、請求項７に記載のシミュレーションシステム。
【請求項９】
前記刺激表面（４．１）は平均粗さが１００μｍ以下の粗さを有する、請求項１から８のいずれか一項に記載のシミュレーションシステム。
【請求項１０】
筐体（６）と前記刺激表面を支持する手段とを有し、
前記支持手段は、少なくとも一つの変位方向に沿った前記刺激表面（４．１）の変位を可能にするとともに前記刺激表面を平衡位置へ復帰させるように、前記少なくとも一つの変位方向に沿って弾性変形可能である、請求項１から９のいずれか一項に記載のシミュレーションシステム。
【請求項１１】
前記筐体と前記可動要素（２）との間に前記支持手段が挿入される、請求項２または３との組み合わせによる請求項１０に記載のシミュレーションシステム。
【請求項１２】
前記支持手段が少なくとも３本の弾性変形ロッド（８）を有し、前記ロッド（８）が前記システムの前記可動要素（２）と前記筐体とを接続する、請求項１１に記載のシミュレーションシステム。
【請求項１３】
前記ロッド（８）がポリウレタン、または例えばシリコーンのようなエラストマで形成される、請求項１２に記載のシミュレーションシステム。
【請求項１４】
前記支持手段は、矩形断面と前記第１方向（Ｘ）に沿った縦軸とを備えた少なくとも一つの第１中空円筒形要素（２８）を有する、請求項１０または１１に記載のシミュレーションシステム。
【請求項１５】
前記縦軸が前記第２方向（Ｙ）と一致し前記第１要素に重ねられて固定される矩形断面を備える第２中空円筒形要素（３０）を有する、請求項１４に記載のシミュレーションシステム。
【請求項１６】
前記支持手段が前記可動要素（２）と前記刺激表面との間に設けられ、前記可動要素（２）が前記支持手段から懸架され、前記刺激表面が支持手段により支持される、請求項２または３との組み合わせによる請求項１０に記載のシミュレーションシステム。
【請求項１７】
前記支持手段は、ビーム（３４）により懸架される中央ゾーン（３５）を画定する中央の切欠き（３３）を有し、周縁部で前記筐体（６）に固定されるプレート（３２）を有し、
前記可動要素（２）と前記刺激表面（４．１）とは前記懸架ゾーン（３５）で前記プレート（３２）に固定される、請求項１６に記載のシミュレーションシステム。
【請求項１８】
相互コンダクタンス増幅器により制御されるソレノイドを各電磁アクチュエータが有する、請求項１から１７のいずれか一項に記載のシミュレーションシステム。
【請求項１９】
各電磁アクチュエータがソレノイドを包含し、前記ソレノイドに印加される電流により前記刺激表面（４．１）の位置が決定される、請求項１から１８のいずれか一項に記載のシミュレーションシステム。
【請求項２０】
請求項１から１９のいずれか一項に記載の少なくとも一つのシミュレーションシステムを有する、仮想現実システム。
【請求項２１】
前記皮膚のエリアが空間内で移動することができ前記刺激表面（４．１）が前記皮膚のエリアと接触状態にあるように、前記システムが可搬式であって前記皮膚のエリアに固定されるように設計されている、請求項２０に記載の仮想現実システム。
【請求項２２】
シミュレーションされる前記表面に対する前記空間内での前記皮膚のエリアの位置を判断するために前記シミュレーションシステムと連動する少なくとも一つの位置センサを有する、請求項２１に記載の仮想現実システム。
【請求項２３】
指の指腹を刺激するように設計され、手の各指のためのシステムを有してグローブを形成する、請求項２０から２２のいずれか一項に記載の仮想現実システム。
【請求項２４】
シミュレーション命令を発生させる手段が体感仮想現実シミュレーションエンジンにより形成される、請求項２０から２３のいずれか一項に記載の仮想現実システム。
【請求項２５】
システムが例えばタッチスクリーンまたはタッチパッドである、請求項１から１９のいずれか一項に記載のシミュレーションシステムを少なくとも一つ有する触覚制御システム。
【請求項２６】
Ａ‐三次元シミュレーションシステムを備えた前記皮膚のエリアの位置を測定するステップと、
Ｂ‐アクチュエータ制御に応じた大きさの力を前記皮膚のエリアに印加するステップであって、該力の大きさが、予め決定された粗さプロファイルによって決定され、前記粗さプロファイルは、シミュレーションされる前記表面の前記皮膚のエリアのあらゆる位置に所定の大きさの力を関連付けるものであり、
を有する方法である、請求項２２に記載の仮想現実システムを制御する方法。
【請求項２７】
前記粗さプロファイルが作成される現実表面に皮膚のエリアを移動させ、
前記現実表面の各位置で前記皮膚のエリアに印加される前記力の大きさ測定し、
測定された前記力の大きさを各位置に関連付ける、ことにより前記粗さプロファイルが決定される、請求項２６に記載の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば仮想現実領域における触覚インタフェースとしての、または輸送、電話技術、データ処理その他など様々な領域における感覚インタフェースとしての使用のために設計された、例えば物体のざらつきまたは把持をシミュレーションするために触覚刺激による表面接触をシミュレーションするシステムに関連する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、触覚情報を提供するシステムを開示している。このシステムは、指の指腹(digital pulp)にせん断力を発生させる、二方向に沿って自由に移動する表面を備えて、方向についての情報を提供する。しかし、このタイプのシステムはそのままの質感を生成することが不可能で、表面ざらつきをシミュレーションすることができない。
【０００３】
仮想現実グローブも存在する。このようなタイプのグローブの一つが、特許文献２に開示されている。これは指先に振動器を有する。仮想物体と接触する指をシミュレーションする必要がある時には、振動器が起動されて該当の指に単一周波数振動を起こす。しかし、この情報はメタファに過ぎず、ユーザに現実感を提供しない。
【０００４】
圧入により指の指腹を刺激するピンを有する、特許文献３に開示されているもののようなシステムも見られる。
【０００５】
しかし、例えば局所刺激は物体の把持を正確にシミュレーションすることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願第２００９／００３６２１２号明細書
【特許文献２】米国特許第６２７５２１３号明細書
【特許文献３】米国特許第５５８３４７８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的の一つは、ユーザに現実感を提供する触覚刺激による表面接触のシミュレーションシステムを開示することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的は、ユーザの皮膚のエリアが接触する表面を有するシステムによって達成され、この表面は、皮膚のエリアで一方向または二方向に沿ったせん断力を発生させるように、少なくとも一方向、好適な例では相互に直交する二方向に沿って移動可能である。
【０００９】
さらに該システムは、感触の動的相互作用、例えば表面の質感が現実的に再構成されるように、ある方向に沿ってまたは直交方向に沿って表面を移動させて高い刺激周波数を提供できる電磁アクチュエータを、有する。こうして本発明によるシステムは、表面の触感について非常に高品質の表現を行うことができる。
【００１０】
例えば、アクチュエータは０Ｈｚから１２００Ｈｚの間の刺激周波数を出力することが可能である。
【００１１】
言い換えると、電磁アクチュエータは、刺激表面の変位を通して皮膚のエリアに印加される刺激の非常に急速な更新を可能にするため、表面の質感の変化が特に現実的にシミュレーションされる。
【００１２】
一つの特定実施形態では、表面がこの表面に直交する軸に沿っても移動することで、皮膚のエリアに垂直でこれを変形させるような向きの力を印加する。またシステムは、圧入による局所刺激を発生させることができる。また、手による物体の把持がシミュレーションされるが、その際に皮膚のエリアとは指の指腹であり、その際のシステムは少なくとも２本の指のために設計されている。指の表面に垂直な力を印加することにより握る力がシミュレーションされ、指の表面に正接する力を印加することにより物体の重みがシミュレーションされる。滑りは、接線方向の力の変化によりシミュレーションされる。
【００１３】
変位方向に弾性変形可能であって必要な一または二種類の程度の平行移動を容易に提供して表面を平衡位置に復帰させる手段を形成する支持手段によって表面が支持されると、好適である。
【００１４】
その際に本発明の主題は、ユーザの皮膚のエリアと接触する刺激表面を有する触覚刺激による表面接触のシミュレーションシステムであり、このシステムは、皮膚のエリアに略正接する少なくとも一つの第１方向に沿って刺激表面を変位させる手段を包含し、発生される刺激に応じて変位手段が制御され、この変位手段は電磁アクチュエータである。
【００１５】
刺激表面を変位させる手段が、第１方向に直交して皮膚のエリアに略正接する第２方向に沿って刺激表面を変位させることもできると、非常に好適である。
【００１６】
一つの実施形態例において、刺激表面を変位させる手段は、刺激表面を支持する可動要素の周りにおいて相互に１２０°に分かれた状態で円形に配設された３個の電磁アクチュエータを有する。
【００１７】
別の実施形態例では、刺激表面を変位させる手段が４個の電磁アクチュエータを包含し、２個のアクチュエータは刺激表面を支持する可動要素の各側で第１変位方向に沿って配置され、２個のアクチュエータは刺激表面を支持する可動要素の各側で第２変位方向に沿って配設されている。
【００１８】
各電磁アクチュエータは、ソレノイドと、ソレノイドが周りに配置されたコアとを有し、コアが可動要素の面とともに空隙を画定する自由面を備えることが好ましい。一つの好適な例では、可動要素の方向にコアの断面が縮小している。電磁アクチュエータの各々の空隙を画定する面は、第１および第２変位方向により画定される平面に対して、例えば２５°の角度だけ傾斜していると好適である。
【００１９】
別の実施形態例では、刺激表面が第１および第２方向に直交する第３方向に沿って移動することができ、システムが第３方向に沿った刺激表面の変位の手段を有する。第３方向に沿った変位手段は、第１および第２方向に沿った変位の手段と一致していると好適である。
【００２０】
例えば、刺激表面は、平均粗さで１００μｍ以下の表面粗さを有することが好ましい。
【００２１】
本発明によるシミュレーションシステムは、筐体と刺激表面を支持する手段とを有し、少なくとも一つの変位方向に沿った刺激表面の変位を可能にするとともに刺激表面を平衡位置へ戻すように、支持手段はこの少なくとも一つの変位方向に沿って弾性変形可能であってもよい。
【００２２】
一実施形態では、筐体と可動要素との間に支持手段が挿入される。例えば、支持手段は少なくとも３本の弾性変形ロッドを有し、このロッドはシステムの可動要素と筐体とを接続する。ポリウレタンまたは、例えばシリコーンのようなエラストマでロッドを形成するとよい。
【００２３】
別の実施形態例では、支持手段は矩形断面と第１方向に沿った縦軸とを持つ少なくとも一つの第１中空円筒形要素を有する。
【００２４】
本発明によるシステムは、縦軸が第２方向に整列され、第１要素に重ねられて固定される矩形断面を持つ第２中空円筒形要素を有する。
【００２５】
別の実施形態では、可動要素と刺激表面との間に支持手段が配設され、支持手段から可動要素が懸架され、支持手段によって刺激表面が支持される。
【００２６】
この実施形態では、支持手段はその周縁部で筐体に固定されたプレートを有し、該プレートはビームにより懸架された中央ゾーンを画定する中央の切欠きを有してもよい。可動要素と刺激表面とはこの懸架ゾーンでプレートに固定される。
【００２７】
別の特徴によれば、各電磁アクチュエータは相互コンダクタンス増幅器により制御されるソレノイドを有する。
【００２８】
ソレノイドに印加される電流によって刺激表面の位置が決定されると好適である。
【００２９】
本発明の別の目的は、本発明による少なくとも一つのシミュレーションシステムを有する仮想現実システムである。
【００３０】
システムは可搬式であるとよく、シミュレーション表面が皮膚のエリアと接触したまま皮膚のエリアが空間内で移動することができるように、皮膚のエリアに固定されるように設計されているとよい。
【００３１】
本発明による仮想現実システムは、シミュレーションされる表面に対する空間内での皮膚のエリアの位置を判断するため、シミュレーションシステムと連動する少なくとも一つの位置センサを有すると好適である。
【００３２】
本発明による仮想現実システムは、指の指腹を刺激し、手の各指のためのシステムを包含してグローブを形成する。
【００３３】
シミュレーション命令を発する手段は、例えば、体感仮想現実シミュレーションエンジンにより形成される。
【００３４】
本発明の別の主題は、本発明による少なくとも一つのシステムを有する触覚制御システムであり、このシステムは、例えばタッチスクリーンまたはタッチパッドである。
【００３５】
本発明の別の主題は、本発明による仮想現実システムを制御する方法であって、この方法は、
Ａ‐三次元シミュレーションシステムを装着した皮膚のエリアの位置を測定するステップと、
Ｂ‐アクチュエータ制御に応じた大きさの力を皮膚のエリアに印加するステップであって、力の大きさは、予め決定された粗さプロファイルから決定され、この粗さプロファイルは、シミュレーションされる表面上にある皮膚のエリアのあらゆる位置と与えられる力の大きさとを関連付ける。
【００３６】
粗さプロファイルは例えば、
‐粗さプロファイルが作成される現実表面において皮膚のエリアを移動させることと、
‐各位置で現実表面により皮膚のエリアに印加される力の大きさを測定することと、
‐測定された力の大きさを各位置に関係付けることと、
により決定されるとよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
以下に挙げる説明と添付図面とを読んだ後に、本発明がより良く理解されるだろう。
【図１】本発明の第一実施形態によるシミュレーションシステムの実施形態例の等角斜視図である。
【図２】２個のアクチュエータが取り外された図１のシステムの斜視図である。
【図３】Ｘ軸を含みＹ軸に垂直な平面における図１のシステムの断面図である。
【図４】システムがハウジングに設置されて、指がシステムと接触しているシミュレーション状況を示す、図３と同様の図である。
【図５】本発明によるシステムの制御のための三次元領域における再現可能粗さプロファイルを示す。
【図６Ａ】指で物体を把持する場合にシミュレーションされる力の描写図である。
【図６Ｂ】物体の表面上で指を摺動させる場合にシミュレーションされる力の描写図である。
【図７】本発明によるシミュレーションシステムの電子制御図の例である。
【図８】２個のアクチュエータが取り除かれた、本発明の第一実施形態によるシステムの別の例の斜視図である。
【図９】本発明の第二実施形態によるシステムの一例の縦断面図である。
【図１０】刺激プラットフォームとアクチュエータとが取り除かれた、図９のシステムの斜視断面図である。
【図１１】図９のシステムの一部の上面図である。
【図１２】本発明の第二実施形態によるシステムの別の例の分解斜視図である。
【図１３】図１２のシステムの内部の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下の説明では、本発明によるシミュレーションシステムは、特に指の指腹をシミュレーションするものとして説明されている。しかし、本発明がユーザの指のいかなるエリアに適用されてもよいことは自明である。
【００３９】
異なる実施形態および例では、同じ機能を備え略同一の形状を持つ要素を指すのに同じ参照符号が使用される。
【００４０】
図１から図４は、本発明の第一実施形態での触覚刺激による粗さシミュレーションの実施形態例を示す。
【００４１】
シミュレーションシステムは、筐体６に対して自由に移動する略平面要素２と、可動要素２の平面に含まれて少なくとも２本の直交軸Ｘ，Ｙに沿って可動要素２を変位させる手段とを有する。このシステムは、上開口部を備えるハウジング７に取り付けられる。この開口部に配置されるプラットフォーム４は少なくともＸおよびＹ方向に沿った可動要素２の移動については固定されている。プラットフォーム４には刺激を受ける皮膚のエリアと接触する表面４．１が設けられている。そのため、表面４．１はＸＹ平面に平行な平面において自由に移動する。
【００４２】
例えば、指のための表面は１０ｍｍ×１０ｍｍでよい。タッチパッドまたはタッチスクリーンタイプの用途では、さらに広くてもよい。図の例では、筐体６が平面基部を包含し、可動要素２は筐体６に対して平行に移動することができる。
【００４３】
プラットフォーム４の表面４．１は滑らかであるか若干ざらついている。表面４．１がざらついている場合に、その粗さは、皮膚と表面４．１との間に相対的な変位が存在しない時にはユーザがそれを感じないようなものである。例えば、平均粗さはＲａ６３に相当する１００μｍ程度でよい。
【００４４】
図の例では、可動要素の移動距離にわたりＸおよびＹ軸に沿った弾性変形が可能な支持手段によって可動要素２が支持されると、好適である。
【００４５】
この例では支持手段は、筐体と可動要素との間に延在して図２および３で特によく見える数本の弾性変形ロッド８により形成される。この例では４本のロッド８が設けられ、筐体に固定された端部と反対にあるこれらのロッドの一端部に、可動要素２が支持されている。ロッド８は、可動要素２を中央位置へ復帰させる手段も形成する。
【００４６】
図の特定例では、ロッド８は中実である。筐体６は要素２に対向する表面から突出するピン１０を有する。要素２も筐体に対向する表面から突出するピン１２を有する。筐体６の各ピン１０は、筐体および要素に対して垂直な軸に沿って要素２のピン１２と一致している。ロッド８が設置されると、筐体６のピン１０と可動要素２のピン１２とがロッドの端部に固定される。例えば、ロッドを形成する材料がピン１０，１２にインサート成型されると、各アセンブリが補強される。ピンは、ＸおよびＹ軸に沿った平行移動についてプラットフォーム２を案内して、プラットフォーム２が筐体６と接触するのを防止する。他のいかなるタイプのアセンブリも本発明の枠組みに含まれることは、自明である。
【００４７】
ロッドは曲げの際に負荷を受ける。
【００４８】
ロッドは例えば、曲げ時に非常に良好な弾性を付与するポリウレタンで形成されるとよい。変形例として、ロッド８がエラストマ、例えばシリコーンで製作されてもよい。
【００４９】
変形例として、ターンが結合されたコイルばねによってロッドが置き換えられてもよい。
【００５０】
可撓性ゆえに、ロッド、より一般的には弾性変形可能な支持手段がプラットフォームを平衡位置に動かす弾性復帰作用を提供するので、プラットフォームの位置を制御する必要がなくシステムが開ループで制御され得る。
【００５１】
代替的に、従来タイプの案内システムとプラットフォームの位置を決定する手段とによって、弾性復帰が置き換えられるか拡張されてもよい。
【００５２】
システムは、ＸおよびＹ軸に沿って可動要素２を移動させる手段も有する。可動要素２を移動させる手段は、電磁アクチュエータ１４．１，１４．２，１４．３，１４．４により形成される。図の例では、４個の電磁アクチュエータをシステムが有する。一対のアクチュエータ１４．１，１４．２がＸ軸上に配設され、一対のアクチュエータ１４．３，１４．４がＹ軸上に配設される。
【００５３】
例えば、アクチュエータは、例えば０と１２００Ｈｚの間の高い刺激周波数を提供できる。
【００５４】
Ｘ軸上の反対方向で各々が要素２に作用するように、アクチュエータ１４．１，１４．２は可動要素４の各側に配設される。
【００５５】
Ｙ軸上の反対方向で各々が要素２に作用するように、アクチュエータ１４．３，１４．４は可動要素４の各側に配設される。
【００５６】
特に図３に見られるように、各アクチュエータはソレノイド１８と磁気回路とを有する。磁気回路は、筐体と、可動要素２と、ソレノイド１８が周りに配置されたコア２０とにより、その一部が形成される。図の例では、ソレノイド１８の軸は筐体６の平面に対して垂直であるが、この形態はいかなる点でも限定的ではない。そのため、磁気回路を形成する筐体は磁性材料で形成される。
【００５７】
筐体は、４本のロッド８の間で要素２の下に配置された中央の突起を包含して、磁気回路を包囲する。
【００５８】
各コア２０は可動要素２の表面２４と対向する表面２２を有し、表面２２は可動要素２をコア１８の方へ変位させるように表面２４に引力を加える。
【００５９】
図の例において、特に好適な方法では、コアおよび可動要素２の表面２２，２４は面取りされ、ゆえにこれら表面の面積が増大されて、位置に応じた良好な力の分布を可能にする。ＸおよびＹ軸により規定される平面に対する表面２２，２４の傾斜角度は、例えば２５°程度でよい。
【００６０】
図の例では、可動要素２は切頭頂点を持つピラミッドの形状である。切頭頂点は、プラットフォーム４の平面支持体を形成する。傾斜した側面の各々は相互作用表面２４を形成する。コア２０と表面２２とは、表面２４に対して平行となるように形成されている。表面２２，２４による各対は、電磁力が発生される空隙を画定する。
【００６１】
図の例では、表面４．１と反対にあるプラットフォーム４の表面から突出するピンを収容する２個の孔２６が、頂点に穿設されている。孔とピンとの協働により、プラットフォーム４と要素２とをＸおよびＹ軸に沿って固定する。孔およびピンの構成が逆転されてもよいことは自明である。例えば、ピンがプラットフォーム２に圧入されてこれを固定する。
【００６２】
変形例として、接着、ねじ結合、および／またはクリップによりプラットフォーム４が可動要素２に固定されてもよい。
【００６３】
この実施形態例は限定的でない。
【００６４】
さらに、ＸおよびＹ軸により規定される平面に対して垂直な平面に相互作用表面を有するアクチュエータは、本発明の範囲に含まれる。
【００６５】
アクチュエータ１４．１から１４．４を交互に起動することにより、ＸＹ平面上のいかなる位置へも要素２を移動させて表面４．１を変位させることができる。
【００６６】
別の実施形態例では、システムは相互に１２０°で円形に配設された３個のアクチュエータを有する。その際にＸまたはＹ方向に沿った変位は、アクチュエータの各々により印加される力のベクトル和によって得られる。この例では、可動要素２は、例えば面取りエッジを持つディスクの形でよい。
【００６７】
異なる技術を用いて装置が動力供給されてもよい。
【００６８】
一つの実施形態例では、ソレノイド１８は従来の増幅器を用いて被制御電圧を印加し電流を変化させることにより電圧制御される。その際に装置の通過帯域は、（ソレノイドの抵抗およびインダクタンスにより形成される）ＲＬ回路の通過帯域と同じである。
【００６９】
別の実施形態例では、ソレノイドが電流制御されて通過帯域を増大させる。ゆえにソレノイド端子の電圧は、通過する電流が設定値と等しくなるように調節される。このシステムの通過帯域は、相互コンダクタンス増幅器が出力することのできる最大電圧により制限されるだろう。
【００７０】
電磁アクチュエータの使用は、ソレノイドに印加される電流から変位が導出されるため、可動要素２の変位を何らかのセンサで測定する必要がないという長所も有する。ソレノイドのインダクタンスはプラットフォーム２の位置に左右され、その際にこのインダクタンスは可動要素２およびプラットフォーム４の位置から導出され得る。
【００７１】
０から１２００Ｈｚの通過帯域を持つと好適な高い刺激周波数を発生させて触感の動的相互作用を再構成するように、表面４．１が変位を受ける。
【００７２】
その際に、ＸＹ平面に平行な平面における表面４．１の変位は、表面粗さまたは表面質感をシミュレーションすることができる。
【００７３】
ＸおよびＹ軸に直交するＺ軸に沿った皮膚のエリアの方向での表面４の変位による圧入によってシミュレーションを実施する際にも、本発明によるシステムを好適に使用できる。非常に好都合なことに、この変位は、４個のソレノイド１８へ動力を同時に印加することにより図１から図４のシステムから直接得ることができる。
【００７４】
Ｚ軸に沿った変位のためだけの一つまたは幾つかのアクチュエータを用いることを考えるのも可能であろう。これは圧電アクチュエータであるとよく、その際にアクチュエータと要素２との間に移動距離増幅手段が設けられると好適である。ラプラス力を用いるアクチュエータが使用されてもよく、このタイプのアクチュエータは、移動距離全体にわたって一定の力を付与するという長所を有する。
【００７５】
Ｚ軸に沿った変位手段が電磁アクチュエータではない場合には、Ｘ軸に沿って位置センサが設けられる。
【００７６】
搭載型の仮想現実システムの場合には、空間内での指の位置と指の変位の速度とを判断する位置センサをシステムが有するとよい。ユーザに感じられる感覚は、仮想表面での位置とこの表面に対する変位速度とに左右される。
【００７７】
図８は、本発明の第一実施形態によるシステムの別の実施形態例を示す。
【００７８】
図８のシステムは図１から図４のシステムと非常に似ており、唯一の相違は、変形可能な平行四辺形を形成する２個の要素２８，３０でロッド８が置き換えられていることである。
【００７９】
その際に平行移動で二種類の自由度を可能にする可動部品２の可撓性支持体は、Ｙ軸に沿った縦軸を持つ第１中空円筒形要素２８と、Ｘ軸に沿った縦軸を持つ第２中空円筒形要素３０とを有する。第１および第２要素２８，３０は、それぞれＸおよびＹ軸に沿って弾性変形可能であって変形可能な平行四辺形を形成する。
【００８０】
２個の要素２８，３０は重ねられて筐体と可動要素２との間へ挿入される。第１要素は例えばねじまたは圧入ピンによって筐体に固定され、第２要素は可動部品２に固定される。
【００８１】
要素２８，３０は、例えば、ポリオキシメチレン、Ｄｅｌｒｉｎ(登録商標)などのプラスチック材料、あるいは金属で製作される。
【００８２】
図９から図１１は、本発明の第二実施形態によるシステムの実施形態例を示す。
【００８３】
図９から図１１のシステムは、ＸおよびＹ方向に沿った平行移動を可能にして平衡位置への復帰を制御する可撓性支持手段がプラットフォーム４と可動表面２との間に挿入されるという点で、第一実施形態のシステムと異なっている。
【００８４】
この実施形態例ではシステムは、例えば四隅のねじにより側端部でハウジング７に固定されるプレート３２によって形成される支持体を有する。
【００８５】
切欠き３３が二種類の平行移動自由度をプラットフォーム４に付与して平衡位置への復帰を制御するように、プレート３２には切欠きが設けられている。
【００８６】
図１１は、これらの機能を実施する切欠き３３の例を示している。切欠き３３は螺旋部分であり、相互に巻き付けられたものが図示の例では３個設けられている。３個の螺旋部分３３は、端部からプレート３５が懸架された湾曲形状のビームを画定する。
【００８７】
懸架されたプレート３５にプラットフォーム４が固定されている。例えばプラットフォームは下面から突出するピン３６を有し、ピン３６は懸架プレート３５の上面でその中央に設けられたリーミング３８に圧入されている。
【００８８】
例えば圧入、接着、ねじ結合により、懸架プレートは可動部品２に動きが固定されている。
【００８９】
可動部品２と懸架プレート３５とは相互に固定されているので、筐体の中央突起の上方で可動部品２もビーム３４によって懸架されている。
【００９０】
例えば、Ｄｅｌｒｉｎ(登録商標)などのポリオキシメチレンなどのプラスチック材料、あるいは金属でプレートが形成されてもよい。
【００９１】
通常は比較的変形が容易であるため、プラスチック材料の使用は、長い移動距離を可能にするという長所を有する。金属は、剛性であるため減衰効果は低く、そのためエネルギー損失は小さい。
【００９２】
図１２および図１３は、本発明の第二実施形態によるシステムの別の実施形態例を示し、相互に１２０°で分散された３個のアクチュエータが設けられている。回転柱の形状を有するハウジングへの嵌着を向上させるため、ソレノイドはビーム形状であれば好適である。
【００９３】
コア２０の上面図は、短い底辺が可動部品との空隙を形成する二等辺の空中ブランコの形状を示す。その際に、コアの断面は可動部品に向かって小さくなって、磁界集中効果をもたらす。
【００９４】
変形例として、２個のアクチュエータを有し横方向応力において単一の自由度を持つシステムを有することも可能であろう。
【００９５】
相互に連結された要素による機械的接続によって支持手段が設けられてもよいことは自明である。例えば、旋回接続により相互に連結されたロッドによって形成される変形可能な平行四辺形であるとよい。その際には、プラットフォーム位置検出手段が使用されることが好ましい。その際に支持手段は、機械的に、つまり連結手段により変形可能であるとよい。
【００９６】
図７は、少なくとも２本の指に取り付けられる仮想現実に適用されるシステムの電子制御についてのダイアグラムの例を示す。
【００９７】
体感仮想現実シミュレーションエンジン１００により出力される設定値に従って、３本の刺激軸が制御される。仮想現実エンジンは、仮想メカ環境の実時間シミュレーションである。指の位置についての情報を入力データとして使用して、仮想物体との接触に応じて相互作用を計算する。仮想エンジンは、後述する予め決定された粗さプロファイルを使用する。
【００９８】
シミュレーションシステムは、体感エンジン１００から受信したデータと、システム電源電池３００の充電と、各刺激装置の設定値とを調整する、例えば電子基板の形のコーディネータ２００を有する。データは無線リンクにより送信されると好適である。電池の過剰な放電を防止するため、電池充電がモニタされる。
【００９９】
システムは、コーディネータ２００により受信された順序に従ってモータを制御するマイクロコントローラ４００を包含し、提供される設定値および情報に応じて電磁アクチュエータ１４．１，１４．２，１４．３，１４．３を調節する。
【０１００】
さらに、マイクロコントローラ４００は、加速度計５００により提供される情報から指の動きを推定することが可能である。
【０１０１】
モータにより指に印加される力を制御するため、力センサ６００、例えば容量センサが設けられるとよい。このセンサは可動要素と皮膚との間に配設されて、垂直方向および接線方向の相互作用を測定する。指だけでなく皮膚のあらゆるエリアを刺激するように本発明によるシステムが適応化されてもよいことは自明である。さらに、同時に数本の指に作用する表面を有することも可能であろう。
【０１０２】
さて、指の端部に固定されるシステムである仮想現実システムの枠組みの中で、図１から図４に示されたシステムから始めて、本発明によるシステムの動作を説明する。
【０１０３】
図４に示されているように、ユーザは指４の指腹に表面４を固定する。
【０１０４】
粗さ刺激を発生させる必要がある時には、所与の物体の粗さプロファイルに対応する図に従ってアクチュエータが起動される。
【０１０５】
例えば、粗さをシミュレーションする表面の粗さプロファイルを作成するため、シミュレーションされる表面における指の各位置について、指に印加される接線力の大きさが測定される。この測定は、指が表面上で動かされる時に行われる。位置測定により指の変位速度が考慮される。
【０１０６】
シミュレーションの間に指およびシステムの位置が検出され、仮想表面に対する位置を判断する位置センサがシステムに装着されている。印加される力の大きさが次に、予め決定された粗さプロファイルを用いて指の位置に関係付けられ、予め決定された粗さプロファイルに基づいて可動要素２とプラットフォーム４とを移動させて必要な力の大きさを印加するように、アクチュエータが起動される。
【０１０７】
アクチュエータの刺激周波数が高いので、現実的シミュレーションを行うように刺激を更新できる。
【０１０８】
図５は、本発明によるシステムによって三次元領域で再現可能な粗さプロファイルの例を示す。図５は、ｍｍでの位置に応じたｍＮでの接線力の大きさを示す。この粗さプロファイルは、一次元における変位に対応する。
【０１０９】
表面上での変位について二方向でプロファイルが作成される。指については、指の摩擦（そのため接線力）の変動が粗さ認知指数である。
【０１１０】
その際に可動要素２がコア２０の方へ順に引き寄せられ、それから表面４．１が指の指腹の表面に対して移動してこれを刺激し、所与の物体の表面の粗さのシミュレーションを行う。
【０１１１】
図６Ａに図示されているように少なくとも２本の指による物体Ｏの把持をシミュレーションする必要がある場合には、本発明によるシステムが各指に装着される。この場合には、表面４．１と接触したままでユーザが指を動かすことができるように、システムはシステムを指に固定する手段有する。
【０１１２】
把持力をシミュレーションする指の指腹の法線方向の力Ｆｎｏｒｍａｌと、物体の重みをシミュレーションする方向に沿った接線方向の力Ｆｔａｎｇとを発生することにより、把持がシミュレーションされる。図６Ｂは、指９が表面上を摺動する場合の力の概略図を含み、指の変位方向に沿って指の指腹に印加される接線力Ｆｔａｎｇの時間変動により、摺動がシミュレーションされる。
【０１１３】
指の刺激という特殊な場合には、指の各々のためのシステムが装着されたグローブを形成することが考えられる。
【０１１４】
アクチュエータの高い起動周波数ゆえに、本発明によるシステムは高い刺激速度を提供するため、触覚通過帯域全体がカバーされて現実的なシミュレーションを提供する。
【０１１５】
二方向でのせん断と圧入とによる刺激により、外部環境との動的反応がシミュレーションされ得る。
【０１１６】
さらに、システムは触覚メタファを使用せずに現実的相互作用を提供する。
【０１１７】
本発明によるシステムが手の少なくとも２本の指に装着される場合には、仮想物体の把持をシミュレーションすることが非常に容易であろう。圧入による刺激では、ユーザは自分の指先で物体を握っているという感覚を持ち、せん断による刺激では、物体の重みを感じているという印象をユーザが持つ。
【０１１８】
記載のシステムは、一本の指の指腹の刺激に合わせて適応化されているが、数本の指の指腹を刺激するため、例えば片手のすべての指または両手による物体の把持をシミュレーションするようにグローブを形成する複数のシステムの製作を考えることが可能であろう。
【０１１９】
本発明によるシステムは、仮想現実システムに特に適している。仮想現実システムにより提供される情報と関連させて、システムが指またはなんらかの皮膚のエリアを忠実に刺激する。
【０１２０】
例えば、本発明によるシステムは、ビデオゲーム、対話式シミュレーション、コンピュータマウス、タッチパッド／タッチスクリーン、または例えばハンドルに使用されるとよい。タッチスクリーンの場合には、スクリーンがプラットフォーム４を形成する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年3月6日(2013.3.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザの皮膚のエリアと接触する刺激表面（４．１）を有し、触覚刺激による表面接触のシミュレーションシステムにおいて、
前記皮膚の前記エリアに略正接する少なくとも一つの第１方向に沿って前記刺激表面を変位させる手段であって発生される前記刺激に応じて制御される変位手段を有し、
前記変位手段が電磁アクチュエータ（１４．１，１４．２，１４．３，１４．４）であって、
各電磁アクチュエータ（１４．１，１４．２，１４．３，１４．４）が、ソレノイド（１８）と、前記ソレノイド（１８）が周りに配置されるコア（２０）と、を有し、前記可動要素（２）の面（２４）とともに空隙を画定する自由面（２２）を前記コアが備える、シミュレーションシステム。
【請求項２】
前記刺激表面を変位させる手段が、前記第１方向に直交して前記皮膚のエリアに略正接する第２方向（Ｘ，Ｙ）に沿って前記刺激表面を変位させることも可能である、請求項１に記載のシミュレーションシステム。
【請求項３】
前記刺激表面（４．１）を支持する可動要素（２）の周りにおいて相互に１２０°に分かれた状態で円形に配設された３個の電磁アクチュエータを有する、請求項１または２に記載のシミュレーションシステム。
【請求項４】
４個の電磁アクチュエータ（１４．１，１４．２，１４．３，１４．４）を有し、
そのうちの２個のアクチュエータ（１４．１，１４．２）が、前記刺激表面（４．１）を支持する可動要素（２）の各側で前記第１変位方向（Ｘ）に沿って配置され、
他の２個のアクチュエータ（１４．３，１４．３）が、前記刺激表面（４．１）を支持する前記可動要素（２）の各側で前記第２変位方向（Ｙ）に沿って配置される、請求項１または２に記載のシミュレーションシステム。
【請求項５】
前記コアの断面が前記可動要素（２）の方向に沿って縮小する、請求項１から４のいずれか一つに記載のシミュレーションシステム。
【請求項６】
前記電磁アクチュエータの各々の前記空隙を画定する前記面（２２，２４）が、前記第１（Ｘ）および第２（Ｙ）変位方向により規定される平面に対して、例えば２５°の角度だけ、傾斜している、請求項１から５のいずれか一つに記載のシミュレーションシステム。
【請求項７】
前記第１（Ｘ）および第２（Ｙ）方向に直交する第３方向（Ｚ）に沿って前記刺激表面（４．１）が移動することができ、前記第３方向（Ｚ）に沿った前記刺激表面の変位の手段を有する、請求項１から６のいずれか一つに記載のシミュレーションシステム。
【請求項８】
前記第３方向（Ｚ）に沿った前記変位の手段が前記第１（Ｘ）および第２（Ｙ）方向に沿った前記変位の手段と一致する、請求項７に記載のシミュレーションシステム。
【請求項９】
前記刺激表面（４．１）は平均粗さが１００μｍ以下の粗さを有する、請求項１から８のいずれか一つに記載のシミュレーションシステム。
【請求項１０】
筐体（６）と前記刺激表面を支持する手段とを有し、
前記支持手段は、少なくとも一つの変位方向に沿った前記刺激表面（４．１）の変位を可能にするとともに前記刺激表面を平衡位置へ復帰させるように、前記少なくとも一つの変位方向に沿って弾性変形可能である、請求項１から９のいずれか一つに記載のシミュレーションシステム。
【請求項１１】
前記筐体と前記可動要素（２）との間に前記支持手段が挿入される、請求項３または４との組み合わせによる請求項１０に記載のシミュレーションシステム。
【請求項１２】
前記支持手段が少なくとも３本の弾性変形ロッド（８）を有し、前記ロッド（８）が前記システムの前記可動要素（２）と前記筐体とを接続する、請求項１１に記載のシミュレーションシステム。
【請求項１３】
前記ロッド（８）がポリウレタン、または例えばシリコーンのようなエラストマで形成される、請求項１２に記載のシミュレーションシステム。
【請求項１４】
前記支持手段は、矩形断面と前記第１方向（Ｘ）に沿った縦軸とを備えた少なくとも一つの第１中空円筒形要素（２８）を有する、請求項１０または１１に記載のシミュレーションシステム。
【請求項１５】
前記縦軸が前記第２方向（Ｙ）と一致し前記第１要素に重ねられて固定される矩形断面を備える第２中空円筒形要素（３０）を有する、請求項１４に記載のシミュレーションシステム。
【請求項１６】
前記支持手段が前記可動要素（２）と前記刺激表面との間に設けられ、前記可動要素（２）が前記支持手段から懸架され、前記刺激表面が支持手段により支持される、請求項３または４との組み合わせによる請求項１０に記載のシミュレーションシステム。
【請求項１７】
前記支持手段は、ビーム（３４）により懸架される中央ゾーン（３５）を画定する中央の切欠き（３３）を有し、周縁部で前記筐体（６）に固定されるプレート（３２）を有し、
前記可動要素（２）と前記刺激表面（４．１）とは前記懸架ゾーン（３５）で前記プレート（３２）に固定される、請求項１６に記載のシミュレーションシステム。
【請求項１８】
相互コンダクタンス増幅器により制御されるソレノイドを各電磁アクチュエータが有する、請求項１から１７のいずれか一つに記載のシミュレーションシステム。
【請求項１９】
各電磁アクチュエータがソレノイドを包含し、前記ソレノイドに印加される電流により前記刺激表面（４．１）の位置が決定される、請求項１から１８のいずれか一つに記載のシミュレーションシステム。
【請求項２０】
請求項１から１９のいずれか一つに記載の少なくとも一つのシミュレーションシステムを有する、仮想現実システム。
【請求項２１】
前記皮膚のエリアが空間内で移動することができ前記刺激表面（４．１）が前記皮膚のエリアと接触状態にあるように、前記システムが可搬式であって前記皮膚のエリアに固定されるように設計されている、請求項２０に記載の仮想現実システム。
【請求項２２】
シミュレーションされる前記表面に対する前記空間内での前記皮膚のエリアの位置を判断するために前記シミュレーションシステムと連動する少なくとも一つの位置センサを有する、請求項２１に記載の仮想現実システム。
【請求項２３】
指の指腹を刺激するように設計され、手の各指のためのシステムを有してグローブを形成する、請求項２０から２２のいずれか一つに記載の仮想現実システム。
【請求項２４】
シミュレーション命令を発生させる手段が体感仮想現実シミュレーションエンジンにより形成される、請求項２０から２３のいずれか一つに記載の仮想現実システム。
【請求項２５】
システムが例えばタッチスクリーンまたはタッチパッドである、請求項１から１９のいずれか一つに記載の少なくとも一つのシミュレーションシステムを有する触覚制御システム。
【請求項２６】
Ａ‐三次元シミュレーションシステムを備えた前記皮膚のエリアの位置を測定するステップと、
Ｂ‐アクチュエータ制御に応じた大きさの力を前記皮膚のエリアに印加するステップであって、該力の大きさが、予め決定された粗さプロファイルによって決定され、前記粗さプロファイルは、シミュレーションされる前記表面の前記皮膚のエリアのあらゆる位置に所定の大きさの力を関連付けるものであり、
を有する方法である、請求項２２に記載の仮想現実システムを制御する方法。
【請求項２７】
前記粗さプロファイルが作成される現実表面に皮膚のエリアを移動させ、
前記現実表面の各位置で前記皮膚のエリアに印加される前記力の大きさ測定し、
測定された前記力の大きさを各位置に関連付ける、ことにより前記粗さプロファイルが決定される、請求項２６に記載の制御方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
2013537660.tif 000024
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2013537660.tif 000028
【図１２】
2013537660.tif 000029
【図１３】
2013537660.tif 000030
【国際調査報告】
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2013537660.tif 000032
2013537660.tif 000033
2013537660.tif 000034
2013537660.tif 000035
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