(57)【要約】【課題】対象物の表面形状および表面性状を触覚情報として呈示可能な触覚呈示装置を提案すること。【解決手段】触覚呈示装置１は平面上をスライド可能な触覚ユニット２を備え、触覚ユニット２の触覚呈示面２１Ａは上下に旋回可能な複数本の旋回ピン６０を保持している保持板２２Ａによって規定され、各旋回ピン６０はその下端に連結したボイスコイルなどの駆動部６６によって上下に駆動される駆動ピン６５によって、上下方向に移動可能であると共に、左右方向に振動可能である。各旋回ピン６０の立ち上がり量を調整することにより、対象物の表面形状を触覚情報として提示できる。各旋回ピン６０をスライド方向に所定の周波数および振幅で振動させることにより、対象物の表面性状を、指先で対象物表面をなぞった場合に得られる感触に類似した触覚情報として呈示できる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物の表面形状および表面性状を触覚情報として出力する触覚呈示装置において、
触覚呈示面を備え、当該触覚呈示面に平行な方向にスライド可能な少なくとも一つの触覚ユニットと、
この触覚ユニットのスライド方向を検出する検出手段と、
前記触覚呈示面に配列された複数の触覚子と、
前記触覚子を前記触覚ユニットのスライド方向に振動させるための振動手段と、
前記触覚子を前記触覚呈示面に垂直な方向に移動させるための移動手段と、
前記振動手段および前記移動手段を駆動制御する駆動制御手段とを有し、
前記駆動制御手段は、前記触覚ユニットのスライド時には、前記振動手段により、前記対象物の表面粗さに応じた周波数で前記触覚子を振動させることを特徴とする触覚呈示装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記駆動制御手段は、前記触覚ユニットのスライド時には、前記振動手段により、前記対象物の表面の凹凸の大きさに応じた振幅で前記触覚子を振動させることを特徴とする触覚呈示装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記駆動制御手段は、前記触覚子の先端部分によって前記対象物の表面形状に対応する表面形状が規定されるように、前記移動手段により各触覚子を移動させることを特徴とする触覚呈示装置。
【請求項４】
請求項１、２または３において、
前記振動手段は、前記触覚子を前記触覚呈示面に垂直な方向に移動可能な状態で保持している保持部材と、前記触覚呈示面に垂直な方向に振動する振動子と、この振動子の振動を、前記触覚呈示面に平行な方向の振動に変換して前記保持部材に伝達する伝達機構とを備えていることを特徴とする触覚呈示装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記振動子として第１および第２の振動子を備え、
前記伝達機構はカム機構であり、前記第１および第２の振動子の先端面に形成された第１および第２の傾斜カム面と、これらの傾斜カム面と相補的な形状をしている前記保持部材に形成された第１および第２の傾斜カムフォロワー面とを備えていることを特徴とする触覚呈示装置。
【請求項６】
請求項１、２または３において、
前記振動手段は、前記触覚子を前記触覚呈示面に垂直な方向に移動可能な状態で保持している保持部材と、該保持部材に連結された少なくとも一つのピエゾ素子などの長手方向に直交する方向に振動する電気機械変換素子であることを特徴とする触覚提示装置。
【請求項７】
請求項１、２または３において、前記移動手段は、前記触覚子のスライド方向の振動に対応するように、前記触覚子の側が変位可能な可撓性部材によって構成されていることを特徴とする触覚呈示装置。
【請求項８】
請求項１、２または３において、
前記触覚子は、一端を中心として前記触覚呈示面に垂直な方向に旋回可能な旋回ピンであり、
前記振動手段および前記移動手段は、各旋回ピンを前記触覚呈示面に垂直な方向に押し上げ可能な共通の駆動ピンを備えており、
前記駆動ピンを移動させて前記旋回ピンを前記触覚呈示面から押し上げた状態で、当該駆動ピンを同一方向に振動させると、前記旋回ピンが前記触覚呈示面に沿った方向に振動することを特徴とする触覚呈示装置。
【請求項９】
請求項１ないし８のうちのいずれかの項において、
前記触覚ユニットは、前記対象物の表面形状および表面性状を読み取るための情報読取手段を有しており、
前記駆動制御手段は、この情報読取手段によって読み取られた前記対象物の表面形状および表面性状に基づき、前記接触子を駆動制御することを特徴とする触覚呈示装置。
【請求項１０】
請求項９において、
前記読取手段は、請求項１ないし８のいずれかの項に記載の前記触覚ユニットのほぼ真下に位置することを特徴とする触覚呈示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、知覚対象物、例えば仮想物体などの表面形状および表面性状を触覚情報として出力する触覚呈示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
対象物の表面形状を触覚情報として出力可能な触覚呈示装置としては、図４に示すように、触覚呈示面１００にマトリックス状に触覚子として機能する複数本の垂直ピン１０１を配列し、これらの垂直ピン１０１のそれぞれをボイスコイルなどの駆動機構１０２によって垂直方向に移動あるいは振動させる構成のものが知られている。
【０００３】
また、知覚対象物の表面性状、例えば、表面粗さなどの感触は、指先で対象物表面をなぞることにより知覚されることが知られている。指先のなぞりにより得られる触覚に類似した触覚を呈示するための触覚呈示装置は例えば次の特許文献に開示されている。この特許文献においては、水平に配置した振動板を水平に振動させることにより指先に機械的刺激を与えるように構成されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−９０８６７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、図４に示すような複数本のピンを触覚子として用いている触覚呈示装置においても、指先のなぞりにより得られる触覚を呈示できれば、対象物の表面性状（表面粗さ等）を認識させることができるので望ましい。
【０００６】
本発明の課題は、この点に鑑みて、触覚呈示面に複数の接触子が上下に移動可能に配列された構成の触覚呈示装置において、対象物の表面形状および表面性状を呈示できるようにすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、対象物の表面形状および表面性状を触覚情報として出力する触覚呈示装置において、
触覚呈示面を備え、当該触覚呈示面に平行な方向にスライド可能な少なくとも一つの触覚ユニットと、
この触覚ユニットのスライド方向を検出する検出手段と、
前記触覚呈示面に配列された複数の触覚子と、
前記触覚子を前記触覚ユニットのスライド方向に振動させるための振動手段と、
前記触覚子を前記触覚呈示面に垂直な方向に移動させるための移動手段と、
前記振動手段および前記移動手段を駆動制御する駆動制御手段とを有し、
前記駆動制御手段は、前記触覚ユニットのスライド時には、前記振動手段により、前記対象物の表面粗さに応じた周波数、および／または、前記対象物の表面の凹凸の大きさに応じた振幅で、前記触覚子を振動させることを特徴としている。
【０００８】
前記触覚子により対象物の形状を表すためには、前記駆動制御手段により、前記触覚子の先端部分によって前記対象物の表面形状に対応する表面形状が規定されるように、前記移動手段により各触覚子を移動すればよい。
【０００９】
ここで、前記振動手段は、前記触覚子を前記触覚呈示面に垂直な方向に移動可能な状態で保持している保持部材と、前記触覚呈示面に垂直な方向に振動する振動子と、この振動子の振動を、前記触覚呈示面に平行な方向の振動に変換して前記保持部材に伝達する伝達機構とを備えた構成とすることができる。
【００１０】
この場合、前記振動子として第１および第２の振動子を備え、前記伝達機構をカム機構とすることができる。カム機構は、前記第１および第２の振動子の先端面に形成された第１および第２の傾斜カム面と、これらの傾斜カム面と相補的な形状をしている前記保持部材に形成された第１および第２の傾斜カムフォロワー面とにより構成できる。
【００１１】
この構成の振動手段は、触覚呈示面の下側において移動手段と同様に配置できるので、触覚ユニットの幅寸法の増加を抑制できる。よって、複数の触覚ユニットを備えた触覚呈示装置を小型でコンパクトに構成できる。
【００１２】
また前記振動手段にピエゾ素子などの長手方向に直交する方向に振動する電気機械変換素子を用いると、同様に触覚ユニットの幅寸法の増加を抑制できる。
【００１３】
前記触覚子を移動させるための前記移動手段の一部は、可撓性部材から構成されることが望ましく、これにより、前記触覚ユニットのスライド方向への振動によっても垂直な方向への移動が妨げられない。
【００１４】
また、前記触覚子として、一端を中心として前記触覚呈示面に垂直な方向に旋回可能な旋回ピンを用いることができる。この場合には、前記振動手段および前記移動手段として、各旋回ピンを前記触覚呈示面に垂直な方向に押し上げ可能な共通の駆動ピンを備えた構成のものを用いることができる。旋回ピンと駆動ピンの接触面形状を適切に設定することにより、前記駆動ピンを移動させて前記旋回ピンを前記触覚呈示面から押し上げた状態で、当該駆動ピンを同一方向に振動させると、前記旋回ピンが前記触覚呈示面に沿った方向に振動するようにできる。
【００１５】
この構成によれば、移動手段と振動手段を単一の手段により実現できるので、触覚呈示装置の小型化、コンパクト化に有利である。
【００１６】
次に、前記触覚ユニットに、前記対象物の表面形状および表面性状を読み取るための情報読取手段を搭載し、前記駆動制御手段により、この情報読取手段によって読み取られた前記対象物の表面形状および表面性状に基づき、前記接触子を駆動制御するようにしてもよい。
【００１７】
この構成によれば、対象物を読み取る読取部と触覚ユニットが別体構成の場合に比べて取り扱いが容易になり、また、任意の対象物の表面情報を触覚情報として呈示できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した触覚呈示装置の実施の形態を説明する。
【００１９】
図１（ａ）は本実施の形態に係る触覚呈示装置を示す概略構成図である。この図を参照して説明すると、触覚呈示装置１は、操作者が指先Ｐを載せながら平面上をスライドさせることのできる少なくとも１つの触覚ユニット２と、この触覚ユニット２を駆動制御するための駆動制御ユニット５とを有している。勿論、これら触覚ユニット２および駆動制御ユニット５を単一のユニットとして構成することも可能である。
【００２０】
触覚ユニット２は、図において想像線で示すように全体として直方体形状をしており、平面上を前後左右にスライド可能となっている。触覚ユニット２の上面には長方形の触覚呈示面２１が形成されており、この触覚呈示面２１は、上面が平坦な矩形の保持板２２の上面によって規定されている。保持板２２にはマトリックス状に多数のピン穴２３が形成されており、各ピン穴２３を貫通して、触覚呈示面２１に垂直方向に移動可能な状態で触覚子として機能する垂直ピン２４が配置されている。
【００２１】
各垂直ピン２４はピン移動機構３０によって上下方向に移動可能となっている。ピン移動機構３０は、各垂直ピン２４の下端に連結されたボイスコイルなどからなる駆動部３１を備えており、駆動部３１によって、垂直ピン２４は、その先端２４ａが触覚呈示面２１に一致した引き込み位置から所定量だけ上方に突出した突出位置まで移動可能であり、また、これらの間の所定の高さ位置に保持することが可能となっている。
【００２２】
また、各垂直ピン２４は可撓性を有しているので、水平振動を受けても上下方向への移動は妨げられない。
【００２３】
次に、保持板２２は水平方向に振動可能な状態で保持されており、ピン振動機構３３によって前後（図のＹ方向）および左右（図のＸ方向）に振動可能となっている。ピン振動機構３３は、保持板２２の下側に配置された２本の振動ピン３４、３５と、これらの振動ピン３４、３５を上下方向に振動させるボイスコイルなどからなる駆動部３６、３７と、振動ピン３４、３５の上下方向の振動を、触覚呈示面２１に平行な方向の振動に変換して保持板２２に伝達する伝達機構３８とを備えている。
【００２４】
伝達機構３８はカム機構から構成されている。すなわち、振動ピン３４の先端に形成されたＹ方向に４５度の角度で傾斜している傾斜カム面４１と、この傾斜カム面４１と相補的な形状をした保持板２２の裏面に形成された傾斜カムフォロワー面４２とを備えており、振動ピン３４の上下振動により、保持板２２がＹ方向に水平振動する。また、振動ピン３５の先端に形成されたＸ方向に４５度傾斜した傾斜カム面４３と、この傾斜カム面４３と相補的な形状をした保持板２２の裏面に形成された傾斜カムフォロファー面４４とを備えており、振動ピン３５の上下振動により、保持板２２がＸ方向に水平振動する。
【００２５】
なお、ピン振動機構３３としては、ボイスコイルおよびカム機構の代わりに、図１（ｂ）に示すようなピエゾ素子などの電気機械変換素子９１を用いることもできる。このような電気機械変換素子９１は、その長手方向に直交する方向に変位するので、図のように保持板２２を電気機械変換素子９１によって支持しておけば、これらの電気機械変換素子９１を駆動することにより、保持板２２をＸおよびＹ方向に振動させることができる。
【００２６】
次に、この構成の触覚ユニット２には当該触覚ユニット２のスライド方向を検出するためのセンサ２５が取付られている。
【００２７】
一方、駆動制御ユニット５は、上記のピン移動機構３０の駆動部３１およびピン振動機構３３の駆動部３６、３７を駆動制御する駆動制御部５１と、触覚呈示面２２に表示すべき対象物の表面形状および表面性状に関する情報を出力する情報出力部５２と、センサ２５からの信号に基づき、触覚ユニット２の位置およびスライド方向を検出する検出部５３を備えている。
【００２８】
情報出力部５２は、検出部５３により検出された触覚ユニット２の位置に対応する対象物の表面形状に関する情報を駆動制御装部５１に出力する。また、検出部５３により検出された触覚ユニットのスライド方向に基づき、触覚ユニット２の位置に対応する対象物の表面性状に関する情報を駆動制御部５１に出力する。駆動制御部５１では、供給された情報に基づき、ピン移動機構３０の駆動部３１およびピン振動機構３３の駆動部３６、３７を駆動制御する。
【００２９】
すなわち、駆動制御部５１は、供給された表面形状に関する情報に基づき、各垂直ピン２４の先端２４ａによって、対象物の表面形状に対応する表面形状が規定されるように、ピン移動機構３０の駆動部３１を制御する。この結果、触覚提示面２１に指先Ｐなどを当てると、対象物の表面形状を触覚により認識できる。
【００３０】
また、駆動制御部５１では、触覚ユニット２のスライド時には、ピン移動機構３０により各垂直ピン２４の突出量を制御して表面形状を呈示すると共に、ピン振動機構３３の駆動部３６、３７を制御して、対象物の表面粗さに応じた周波数で垂直ピン２４をスライド方向に振動させる。表面が粗い程、低い周波数で振動させ、表面が細かい程、高い周波数で振動させる。また、対象物の表面の凹凸の大きさ（深さ）に応じた振幅で垂直ピン２４を振動させる。すなわち、凹凸が大きい程、大きな振幅で振動させ、凹凸が小さい程、小さな振幅で振動させる。
【００３１】
この結果、対象物の表面を実際に指先でなぞった場合に得られる感触と同様な感触を、触覚呈示面２１に載せた指先から得ることができる。これにより、対象物の表面性状、例えば、表面粗さ、凹凸の程度などを認識することができる。
【００３２】
このように、本実施の形態に係る触覚呈示装置１では、触覚子としての垂直ピンを、触覚ユニット２のスライド方向、すなわちここに載せた指先Ｐの移動方向に振動させるようにしている。従って、対象物の表面形状と共に表面性状を触覚により認識させることができる。また、垂直ピン２４の振動機構３３として、垂直ピン２４の移動機構３０と同一の機構を採用しているので、触覚呈示面２１の裏面側にピン移動機構３０およびピン振動機構３３を組み込むことができる。従って、触覚ユニット２の幅方向の寸法増加を抑制できるので、各指に対応した複数個の触覚ユニットを備えた触覚呈示装置をコンパクトに構成できる。
【００３３】
（触覚子、およびその移動・振動機構の別の例）
ここで、触覚子および、その移動・振動機構としては、図２に示す構成のものを採用することができる。この図には一つの触覚子としての旋回ピンと、その移動・振動機構の主要部分のみを示してある。旋回ピン６０は、触覚呈示面２１Ａを規定している保持板２２Ａの表面に配列されている。各旋回ピン６０は、その一端６０ａが保持板２２Ａに取り付けられた水平ピン６２を中心に上下に旋回自在となっている。旋回ピン６０における旋回方向の一方の側面は平坦な側面６０ｂとされており、コイルばね等のばね部材（図示せず）によって、旋回ピン６０は、当該側面６０ｂが触覚呈示面２１Ａと同一平面上に位置した倒れ姿勢６０Ａに保持されている。
【００３４】
倒れ姿勢６０Ａの状態にある旋回ピン６０の下側には垂直に駆動ピン６５が配置されており、この駆動ピン６５の下端には、ボイスコイルなどからなる駆動部６６が連結されている。この駆動ピン６５の半球状の先端面６５ａは、旋回ピン６０における側面６３とは反対側の側面６０ｃに常に接触状態にある。この側面６０ｃは次のような輪郭形状となっている。倒れ姿勢６０Ａの状態において駆動ピン６５の先端６５ａに当接している側面部分は、側面６０ｂに平行な平坦面部分６０ｄとされている。この平坦面部分６０ｄの先端側にはほぼ半円形状の凸曲面部分６０ｅが連続している。
【００３５】
図２（ｂ）に示すように、旋回ピン６０を倒れ姿勢６０Ａから垂直に起立した起立姿勢６０Ｂまで立ち上げた状態においても、駆動ピン６５の先端６５ａが凸曲面部分６０ｅの斜め下側位置に接触するようになっている。
【００３６】
従って、駆動ピン６５を図２（ａ）に示す引き込み位置から上方に突出させると、駆動ピン６５によって旋回ピン６０が倒れ姿勢６０Ａから徐々に立ち上がり、垂直に起立した起立姿勢６０Ｂにすることができる。また、旋回ピン６０の凸曲面部分６０ｅに先端６５ａが接した状態で駆動ピン６５を上下に振動させると、旋回ピン６０は上下および左右方向に振動する。図２（ｂ）に示すように、旋回ピン６０が起立姿勢の状態では、旋回ピン６０はほぼ左右方向に振動する。
【００３７】
この形状の旋回ピン６０を用いれば、単一の駆動部６６により、旋回ピン６０を上下に移動させることができると共に、旋回ピン６０を左右に振動させることができる。よって、対象物の表面形状および表面性状を呈示可能な触覚呈示装置を小型でコンパクトに構成できる。
【００３８】
（その他の実施の形態）
上記の触覚呈示装置１においては、触覚ユニット２の位置およびスライド方向を検出して、対象物の表面部分の形状および性状を出力するように構成されている。この代わりに、触覚ユニットにＣＣＤカメラ等の画像読取部を搭載し、対象物の表面を実施に移動させながら、当該対象物の表面形状および表面性状を触覚情報として呈示できるように構成することもできる。
【００３９】
図３は、情報読取部と触覚呈示部が単一のユニットとして構成されている触覚呈示装置を示す構成図である。この図に示すように、触覚呈示装置７０は、その装置ケース７１の内部に、ＣＣＤカメラ等の情報読取部７２と、情報読取部７２の読取領域を照明する照明光源７３と、情報読取部７２で読み取られた対象物９０の表面情報を触覚情報として提示可能な触覚呈示部７４と、触覚呈示部７４の駆動を制御する制御部７５と、バッテリ電源７６が搭載された構成となっている。
【００４０】
触覚呈示部７４は、触覚呈示面７７と、ここに配列された複数の触覚子７８と、この触覚子７８を上下に移動する移動機構７９と、触覚子７８を触覚呈示装置７０のスライド方向に振動させるための振動機構８０とが備わっている。触覚呈示面７７、触覚子７８、移動機構７９および振動機構８０は、前述の触覚呈示装置１における対応する部位と同一構成とすることができる。
【００４１】
触覚呈示装置７０は、情報読取部７２と触覚呈示部７４が一体化されているので、これらが分離配置されている場合に比べて操作し易いという利点がある。また、任意の対象物の表面形状、性状を読み取り、触覚情報として呈示できるという利点がある。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の触覚呈示装置においては、触覚子を移動機構により移動させて触覚呈示面から突出させることにより、対象物の表面形状を呈示することができる。また、触覚子を振動機構により触覚呈示装置の触覚ユニットのスライド方向、すなわち操作者の指先のなぞり方向に振動させることにより、対象物の表面性状を呈示することができる。
【００４３】
さらに、振動機構を移動機構と同一の駆動機構を採用した場合には、触覚呈示面の下側に双方の機構を配置することができるので、触覚ユニットの幅寸法の増加を抑制できるので、複数の触覚ユニットを備えた触覚呈示装置を小型でコンパクトに構成できる。
【００４４】
さらにまた、接触子として旋回ピンを採用し、この旋回ピンの上下移動および振動を単一の駆動機構により実現した場合には、対象物の表面形状および表面性状を呈示可能な触覚呈示装置を小型でコンパクトに実現できる。
【００４５】
これに加えて、触覚呈示部および情報読取部を一体化した構成を採用した場合には、取り扱いが容易であり、任意の対象物の表面形状・性状を触覚情報として呈示可能な触覚呈示装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明を適用した触覚呈示装置の主要部分を示す概略構成図であり、（ｂ）はその振動機構の別の例を示す説明図である。
【図２】触覚子として旋回ピンを用いた場合の例を示す説明図である。
【図３】本発明を適用した触覚呈示装置の別の実施の形態を示す説明図である。
【図４】触覚呈示装置の一般的な構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１    触覚呈示装置
２    触覚ユニット
５    駆動制御ユニット
２１、２１Ａ  触覚呈示面
２２、２２Ａ  保持板
２３  ピン穴
２４  垂直ピン
２５  センサ
３０  ピン移動機構
３１  駆動部
３３  ピン振動機構
３４、３５  振動ピン
３６、３７  駆動部
３８  伝達機構
４１、４３  傾斜カム面
４２、４４  傾斜カムフォロワー面
５１  駆動制御部
５２  情報出力部
５３  検出部
６０  旋回ピン
６０Ａ  倒れ姿勢
６０Ｂ  起立姿勢
６０ａ  一端
６０ｃ  側面
６０ｄ  平坦面部分
６０ｅ  凸曲面部分
６２  水平ピン
６５  駆動ピン
６５ａ  先端
６６  駆動部
７０  触覚呈示装置
７２  情報読取部
７３  照明光源
７４  触覚呈示部
７５  駆動制御部
７６  バッテリ
７７  触覚呈示面
７８  触覚子
７９  移動機構
８０  振動機構
９０  対象物
９１  電気機械変換素子
【図１】
2004157749.tif 000003
【図２】
2004157749.tif 000004
【図３】
2004157749.tif 000005
【図４】
2004157749.tif 000006