(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験者の人体の一部を間に挟んで対向するように前記人体に装着されて、前記人体に振動を伝達する第１及び第２の振動子と、
前記第１及び第２の振動子を個別に駆動するための第１及び第２の駆動信号を発生する駆動信号発生装置と、
音響発生装置とを備え、
前記駆動信号発生装置は、前記第１及び第２の振動子を、時間差を持って駆動し且つ時間的な順番で前に駆動される前記第１の振動子の第１の振動持続期間と後に駆動される前記第２の振動子の第２の振動持続期間とが一部重なり、前記第１の振動持続期間が終了した後に前記第２の振動持続期間が終了するように前記第１及び第２の駆動信号を発生するように構成され、
前記音響発生装置によって出力される音響の発生タイミングと前記第１の駆動信号の発生タイミングとが同期していることを特徴とする貫通触感覚提示装置。
【請求項２】
画像表示装置を更に備え、前記画像表示装置に表示される仮想物の画像の表示タイミングと前記第１の駆動信号の発生タイミングとが同期している請求項１に記載の貫通触感覚提示装置。
【請求項３】
前記第１及び第２の振動持続期間が、１００〜３００ｍｓである請求項１または２に記載の貫通触感覚提示装置。
【請求項４】
前記時間差が５０ｍｓ以上で、前記第１の振動持続期間と前記第２の振動持続期間とが重なっている期間が１５０ｍｓ以下である請求項１または２の記載の貫通触感覚提示装置。
【請求項５】
前記駆動信号発生装置は、前記第１の振動子の振動の最大振幅が前記第２の振動子の振動の最大振幅よりも大きくなるような前記第１及び第２の駆動信号を出力する請求項１または２に記載の貫通触感覚提示装置。
【請求項６】
前記駆動信号発生装置は、前記第１の振動子の振動の振幅が徐々に減衰し、前記第２の振動子の振動の振幅も徐々に減衰するような前記第１及び第２の駆動信号を出力する請求項１または２に記載の貫通触感覚提示装置。
【請求項７】
前記音響発生装置は、前記第１及び第２の振動子を装着する前記被験者に装着されて、前記被験者の聴覚により前記音響を認識できるように構成されている請求項１または２に記載の貫通触感覚提示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貫通触感覚を体験できる貫通触感覚提示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
二点の触覚刺激を、時間差をもって提示した場合に適切な時間差の範囲では二点のあいだに、仮現運動を知覚することができることが、非特許文献１及び２に記載されている。
【非特許文献１】Ungyeon Yang，Yongseok Jang及びGerard J.Kimが発表した「Designing a Vibro-Tactile Wear for “Close Range”Interaction for VR-based Motion Training」２００２年１２月４日〜６日に東京で開催されたＩＣＡＴ２００２で配布された論文
【非特許文献２】Masataka Niwa，Yasuyuki Yanagida,Haruo Noma,Kenichi Hosaka,及びYuichiro Kumeが発表した「Vibrotactile Apparent Movement by DC Motors and Voice-coil Tactors」２００４年のＩＣＡＴ２００４で配布された論文
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら従来は、人体の皮膚の表面に沿って仮現運動を知覚できることが確認されているだけであった。そのために研究成果の応用に限界があった。
【０００４】
本発明の目的は、被験者の人体の一部を間に挟んで対向するように人体に装着されて、人体に振動を伝達する第１及び第２の振動子を用いて、被験者の人体の内部を物が貫通する仮現運動を知覚できるようにした貫通触感覚提示装置を提供することにある。
【０００５】
本発明の他の目的は、聴覚による知覚とともに、被験者の人体の内部を物が貫通する仮現運動をよりリアルに知覚できるようにした貫通触感覚提示装置を提供することにある。
【０００６】
本発明のさらに他の目的は、視覚による知覚とともに、被験者の人体の内部を物が貫通する仮現運動をよりリアルに知覚できるようにした貫通触感覚提示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の貫通触感覚提示装置は、被験者の人体の一部を間に挟んで対向するように人体に装着されて、人体に振動を伝達する第１及び第２の振動子と、第１及び第２の振動子を個別に駆動するための第１及び第２の駆動信号を発生する駆動信号発生装置とを用いる。なお「対向」とは、人体の一部を間に介して対向すればよく、完全に対向する場合のみに限定されるものではない。また併せて音響発生装置を用いることもできる。本発明で用いる駆動信号発生装置は、第１及び第２の振動子を、時間差を持って駆動し且つ時間的な順番で前に駆動される第１の振動子の第１の振動持続期間と後に駆動される第２の振動子の第２の振動持続期間とが一部重なり、第１の振動持続期間が終了した後に第２の振動持続期間が終了するように第１及び第２の駆動信号を発生するように構成されている。このような駆動信号発生装置を用いて第１及び第２の振動子を振動させると、仮想物が人体の内部（体内）を貫通していく仮現運動を知覚することができる。特に、第１の振動子の第１の振動持続期間と後に駆動される第２の振動子の第２の振動持続期間とを一部重ねた上で、第１の振動持続期間が終了した後に第２の振動持続期間が終了するように第１及び第２の駆動信号を発生すると、第１及び第２の振動持続期間を重ねない場合と比べて、仮想物が体内に入り、体内を移動して体外に出る感覚を明確に知覚することができる。またこのような触覚から得られる知覚に加えて、本発明においては、音響発生装置によって出力される音響の発生タイミング（発生開始時期）と第１の駆動信号の発生タイミング（発生開始時期）とを同期させることができる。ここでタイミングの同期とは、発生開始時期が時間的に関係を持っていることを意味する。したがって音響の発生と振動の発生が常に同時に起きなければならないわけではなく、音響の発生に時間遅れを持って振動が発生する場合も、同期に含まれるものである。音響の発生タイミングと第１の振動子による振動の発生タイミングとを同期させると、聴覚により仮想物が発射されたまたは当たったことを知覚した上で、触覚により仮想物が体内を貫通する知覚を得ることができる、さらにリアルな貫通触感覚を体験できる。
【０００８】
第１及び第２の振動持続期間は、１００〜３００ｍｓであることが好ましい。振動の振幅の大きさや周波数にもよるが、この期間が１００ｍｓより短いと、振動を感じる知覚自体が弱くなることが多い。またこの期間が３００ｍｓよりも長くなると、振動の振幅の大きさ及び周波数にもよるが、第１及び第２の振動子が振動している期間が長くなって、貫通触感覚がハッキリと知覚できなくなる場合が多い。
【０００９】
また時間差が５０ｍｓ以上で、第１の振動持続期間と第２の振動持続期間とが重なっている期間は、１５０ｍｓ以下であるのが好ましい。時間差が５０ｍｓより小さく、重なっている期間が、１５０ｍｓより長くなると、第１及び第２の振動子が同時に振動している期間が長くなりすぎて、仮想物が体内を貫通している知覚がかなり弱くなる。
【００１０】
なお駆動信号発生装置は、第１の振動子の振動の最大振幅が第２の振動子の振動の最大振幅よりも大きくなるような第１及び第２の駆動信号を出力するように構成することができる。このようにすると、仮想物のエネルギーが体内の仮現運動で減じられた知覚を得ることができる。
【００１１】
また駆動信号発生装置は、第１の振動子の振動の振幅が徐々に減衰し、第２の振動子の振動の振幅も徐々に減衰するような第１及び第２の駆動信号を出力するように構成することができる。このようにすると、さらに仮想物のエネルギーが仮現運動で減じられる知覚をよりリアルに得ることができる。
【００１２】
また本発明の装置では、画像表示装置を更に備えていてもよい。そして画像表示装置に表示される仮想物の画像（弾丸や矢等の発射画像）の表示タイミングと第１の駆動信号の発生タイミングとを同期させることができる。このようにすると、視覚によっても仮想物が体内に入ることを知覚した上で、貫通触感覚を体験できるので、よりリアルな体験をすることができる。
【００１３】
なお前述の音響発生装置は、第１及び第２の振動子を装着する被験者に装着されて、被験者の聴覚により前記音響を認識できるように構成されているのが好ましい。このようにすると、装置の装着者が移動しながら貫通触感覚を体験できるので、装置の用途が広がる利点が得られる。
【００１４】
なお被験者の人体に、一組の第１及び第２の振動子だけでなく、複数組の第１及び第２の振動子を装着して、これら複数組の第１及び第２の振動子を個々に利用して、被験者に貫通触感覚を体験させるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、仮想物が体内に入り、体内を移動して体外に出る感覚を明確に知覚することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下図面を参照して本発明の貫通触感覚提示装置の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の貫通触感覚提示装置の実施の形態の一例の構成を示すブロック図である。図１において、符号１及び２で示したブロックは、人体に装着されて人体に振動を与える第１及び第２の振動子を示している。例えば、第１及び第２の振動子１及び２は、図２に示すように、被験者の腹部分と背部分に装着することができる。装着場所は、図２の例に限定されるものではなく、人体の一部を間に挟んで対向するように人体に装着すればよい。したがって腕に装着する場合には、腕の一部を間に挟む一対の位置に（腕の骨を間に挟む一対の位置に）第１及び第２の振動子１及び２を装着すればよい。第１及び第２の振動子１及び２としては、例えば、携帯電話に搭載されている振動発生用のＤＣモータや、圧電振動子等を用いることができる。最も好ましくは、第１及び第２の振動子１及び２は、被験者の人体の皮膚と振動部が直接触れるように被験者の人体に装着するのが好ましい。しかし下着の上から被験者の人体に振動を伝達するようにしてもよいのは勿論である。装着手段としては、公知の粘着性を有する樹脂シートを装着面に配置したものを用いてもよい。また予め第１及び第２の振動子１及び２を振動発生面が被験者の皮膚とまたは下着と接触するように実装した被服やベルト状の装着具を作っておき、被験者にこの被服や装着具を着用してもらうことにより、第１及び第２の振動子１及び２を被験者に装着するようにしてもよい。
【００１７】
駆動信号発生装置３は、第１及び第２の振動子１及び２を駆動するために、第１及び第２の駆動信号Ｓ１及びＳ２を発生する。駆動信号発生装置３には、制御装置４から制御信号が入力される。駆動信号発生装置３は、制御信号に応じて、第１及び第２の駆動信号Ｓ１及びＳ２を発生する。図３（Ａ）乃至（Ｃ）は、動作を説明するために用いる波形図である。以下図３を参照しながら本実施の形態を説明する。第１及び第２の駆動信号Ｓ１及びＳ２は、第１及び第２の振動子１及び２を時間差（後述の振動開始時間差SOA）を持って駆動する。また駆動信号発生装置３は、時間的な順番で前に駆動される第１の振動子１の第１の振動持続期間Ｄ１と後に駆動される第２の振動子２の第２の振動持続期間Ｄ２とが一部重なり（後述の重なっている期間ISI）、第１の振動持続期間Ｄ１が終了した後に第２の振動持続期間Ｄ２が終了するように第１及び第２の駆動信号Ｓ１及びＳ２を発生する。このような駆動信号発生装置３を用いて第１及び第２の振動子１及び２を振動させると、仮想物が被験者の人体の内部（体内）を貫通していく仮現運動を知覚することができる。特に、第１の振動子１の第１の振動持続期間Ｄ１と後に駆動される第２の振動子２の第２の振動持続期間Ｄ２とを一部重ねた上で、第１の振動持続期間Ｄ１が終了した後に第２の振動持続期間Ｄ２が終了するように第１及び第２の駆動信号Ｓ１及びＳ２を発生すると、第１及び第２の振動持続期間Ｄ１及びＤ２を重ねない場合と比べて、仮想物が体内に入り、体内を移動して体外に出る感覚を明確に知覚することができる。
【００１８】
また本実施の形態では、音響発生装置５と画像表示装置６とを備えている。音響発生装置５及び画像表示装置６も、制御装置４からの制御信号に応じて動作する。制御装置４は、例えば本実施の形態で、射撃ゲームを実現する場合であれば、敵が発射した銃の発射音を効果音（音響）として発生する。本実施の形態では、発射音（音響）の発生タイミング（発生開始時期）と第１の駆動信号Ｓ１の発生タイミング（発生開始時期）とを同期させている。すなわち本実施の形態では、制御装置４から出力される音響信号Ｓｏ［図３（Ｃ）参照］と、第１の駆動信号Ｓ１とが時間的に関係を持っている。具体的には、音響信号Ｓｏが発生した後、若干の時間遅れ（ｔ0）を持って第１の駆動信号Ｓ１が発生している。この状態も、発射音（音響）の発生タイミング（発生開始時期）と第１の駆動信号Ｓ１の発生タイミング（発生開始時期）とが同期している例に含まれる。なお反射音の発生と同時に第１の振動子１の振動を開始させてもよいのは勿論である。このように音響の発生タイミングと第１の振動子１による振動の発生タイミングとを同期させると、聴覚により仮想物が発射されたまたは当たったことを知覚した上で、触覚により仮想物が体内を貫通する知覚を得ることができるので、さらにリアルな貫通触感覚を体験できる。
【００１９】
第１及び第２の駆動信号Ｓ１及びＳ２の第１及び第２の振動持続期間Ｄ１及びＤ２は、１００〜３００ｍｓであることが好ましい。振動の振幅の大きさや周波数にもよるが、この期間が１００ｍｓより短いと、貫通触感覚が弱くなることが多い。またこの期間が３００ｍｓよりも長くなると、振動の振幅の大きさ及び周波数にもよるが、第１及び第２の振動子１及び２が振動している期間が長くなって、貫通触感覚がハッキリと知覚できなくなる場合が多い。
【００２０】
また時間差（後述の振動開始時間差SOA）が５０ｍｓ以上であり、第１の振動持続期間Ｄ１と第２の振動持続期間Ｄ２とが重なっている期間ISIは１５０ｍｓ以下であるのが好ましい。この時間差（後述の振動開始時間差SOA）が５０ｍｓより小さく、重なっている期間ISIが１５０ｍｓより長くなると、第１及び第２の振動子１及び２が同時に振動している期間が長くなりすぎて、仮想物が体内を貫通している知覚が弱くなる。
【００２１】
なお駆動信号発生装置３は、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、第１の振動子１の振動の最大振幅Ｖ１が第２の振動子２の振動の最大振幅Ｖ２よりも大きくなるような第１及び第２の駆動信号Ｓ１及びＳ２を出力するように構成してもよい。このようにすると、仮想物のエネルギーが体内の仮現運動で減じられた知覚を得ることができる。図４の振動波形に示すように、駆動信号発生装置３は、第１の振動子１の振動の振幅が徐々に減衰し、第２の振動子２の振動の振幅も徐々に減衰するような第１及び第２の駆動信号Ｓ１及びＳ２を出力するように構成することができる。このように駆動信号発生装置３を構成すると、さらに仮想物のエネルギーが仮現運動で減じられる知覚をよりリアルに得ることができる。このような振動波形は、ＤＣモータを振動子として利用したり、駆動信号Ｓ１及びＳ２として振幅を変えることが可能なアナログ信号を用いて圧電振動子を駆動することにより、比較的簡単に得ることができる。
【００２２】
また本発明の装置では、画像表示装置６を更に備えている。図５は、被験者が音響発生装置５と画像表示装置６とを備えたヘルメット７を装着している状態を模式的に示している。画像表示装置６は、ヘルメット７の前方に設けたスクリーン部８に被験者が画像を認識できるように画像を表示するものである。なお理解を容易にするために、図５においては、画像をスクリーン部８に表示した状態を図示してあるが、実際には、被験者しか画像は見えない。なおパソコンの表示画面のように、画像表示装置が別に設置されてもよいのは勿論である。音響発生装置５は、ヘッドフォンと同じ構造を有するものである。
【００２３】
本実施の形態では、画像表示装置６に表示される仮想物の画像（弾丸や矢等の発射画像）の表示タイミングと第１の駆動信号Ｓ１の発生タイミングとを同期させている。すなわち例えば弾丸が発射される画像の表示タイミングと、第１の振動子１の振動を開始する発生タイミングとが、時間遅れを持って同期している。したがって弾丸が発射された後、時間遅れを持って被験者は貫通触感覚を知覚することになる。よって本実施の形態では、視覚によっても仮想物が体内に入ることを知覚した上で、貫通触感覚を体験できるので、よりリアルな体験をすることができる。また図５の例では、第１及び第２の振動子１及び２を装着する被験者が、音響発生装置５と画像表示装置６とを装着することになるため、被験者の聴覚により音響を認識しながら、しかも視覚による刺激を受けながら、貫通触感覚を知覚できる。そのため装置の装着者（被験者）が移動しながら、貫通触感覚を体験できるので、装置の用途が大幅に広がる。
【００２４】
なお上記例では、被験者の人体に、一組の第１及び第２の振動子１及び２だけを装着しているが、複数組の第１及び第２の振動子１及び２を装着して、これら複数組の第１及び第２の振動子１及び２を個々に利用して、被験者に貫通触感覚を体験させるようにしてもよいのは勿論である。
【００２５】
次に本発明を完成するにあたって行った貫通触感覚の実験について説明する。実験では、図２に示すように二つの振動子（第１及び第２の振動子１及び２）を被験者の腹部と背部に装着した。これらの振動子としては、圧電振動子を用いた。固定は、ベルト状の装着具を用いた。実験においては、二つの振動子をある時間差を持って振動させ、被験者に主観的な貫通感覚を報告してもらった。二つの振動子の時間パラメータは、それぞれの振動子の振動持続期間Ｄ１及びＤ２と、二つの振動開始時間差SOAを変化させた。
【００２６】
また比較のために、「腹部から背部」、「背部から腹部」、「右脇腹部から左脇腹部」の体幹を貫通する三つの条件において，実際に貫通感覚が生じるのか，調べる実験を行った。最初の実験では、第２の振動持続期間Ｄ２を200msに固定した。そして第１の振動持続期間Ｄ１を100，200，300，400msの４通りに変更した。また振動開始時間差SOAを0〜400msの間を25ms刻みに１７通りに変化させた。実験においては，各時間パラメータを１試行ずつ含む６４試行を１ブロックとし，上記の３条件を，順番にそれぞれ５ブロック、計１５ブロックを行った。被験者は，刺激時の主観的貫通感覚を「同時」，「二つ別の振動」，「貫通感覚（強，中，弱）」の５通りのいずれかで回答した。
【００２７】
実験結果を図６に示す。（Ａ）が「腹部から背部」に、（Ｂ）が「背部から腹部」に、（Ｃ）が「右脇腹部から左脇腹部」に、第１及び第２の振動子１及び２を配置して実験を行った結果である。図６において、横軸は先の振動の終了から、後の振動の開始までの時間即ち重なっている期間ISI（Inter Stimulus Interval）を示しており、縦軸は主観的貫通感覚の大きさを示している。ISIがマイナスであるのは先の振動が終了する前に、後の振動が開始したことを意味する。すなわち第１の振動持続期間Ｄ１と第２の振動持続期間Ｄ２とが一部重なっていることを意味する。またISIがプラスであるのは先の振動が終了した後に、後の振動が開始したことを意味する。主観的貫通感覚は、貫通感覚（強）を３、貫通感覚（中）を２、貫通感覚（弱）を１とし、他の感覚を０とした。図６（Ａ）乃至（Ｃ）を見ると体幹を貫く３条件ともに、振動開始時間差SOA（Ｄ１−ISI）が50〜100ms以上で、重なっている期間ISIがマイナス（−150〜0ms程度）のとき強く貫通感覚が生じることがわかる。
【００２８】
次に持続時間による違いを実験した。前の実験では、第１の振動子１の第１の振動持続期間Ｄ１を変化させて実験を行ったが、この実験では、第２の振動子２の第２の振動持続期間Ｄ２の持続時間を変化させて同様の実験を行った。図７にその結果を示す。第１の振動持続期間Ｄ１は200msに固定し、第２の振動持続期間Ｄ２を100，200，300，400msの４通りに変更し、振動開始時間差SOAを0〜400msの間で25ms刻みに１７通りに変化させた。図７の縦軸及び横軸は図６と同様である。図７のグラフから、第２の振動持続期間Ｄ２の持続時間は貫通感覚の主観的強度に影響を与えないことがわかる。
【００２９】
次に、振動開始時間差SOAによって生じる感覚の違いについて実験した。すなわち主観的貫通感覚の速度と振動開始時間差SOAの関係を調べた。主観的貫通感覚が強く生じている条件（第１の振動持続期間Ｄ１を100msとした場合には、振動開始時間差SOAを50〜100msとする条件。また第１の振動持続期間Ｄ１を200msとし、振動開始時間差SOAを50〜200msとする条件。さらに第１の振動持続期間Ｄ１を300msとし、振動開始時間差SOAを100〜300msとする条件。さらに第１の振動持続期間Ｄ１を400msとし、振動開始時間差SOAを100〜400msとする条件。）にして、第１の振動子１と第２の振動子２を振動させた。そしてその際に知覚される主観的貫通速度を１（遅い），２（中位），３（速い）で回答してもらった。その結果を図８に示す。図８からは、第１の振動持続期間Ｄ１によらず振動開始時間差SOAが貫通速度感覚において主要なパラメータであることがわかる。発明者は、上記の実験を基礎として、上記の発明を完成した。
【００３０】
上記実施の形態によれば、腹部側と背部側に第１及び第２の振動子１及び２を装着し、この２つの振動子間に生じる貫通感覚（“ぐっさり感”）を利用した新しい装置を提供できる。なお本発明の装置は、ゲーム装置や、体感装置等の種々の用途に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の貫通触感覚提示装置の実施の形態の一例の構成を示すブロック図である。
【図２】被験者の腹部分と背部分に第１及び第２の振動子を装着する例を示す図である。
【図３】（Ａ）乃至（Ｃ）は、実施の形態の動作を説明するために用いる波形図である。
【図４】第１の振動子と第２の振動子の振動波形の一例を示す図である。
【図５】被験者が音響発生装置と画像表示装置とを備えたヘルメットを装着している状態を模式的に示す図である。
【図６】（Ａ）乃至（Ｃ）は、第１の振動子の第１の振動持続時間を固定し、しかも振動子の装着位置を変えて実験した結果を示すグラフである。
【図７】第２の振動子の第２の振動持続時間を固定して行った実験の結果を示すグラフである。
【図８】振動開始時間差によって生じる感覚の違いについて実験した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  第１の振動子
２  第２の振動子
３  駆動信号発生装置
４  制御装置
５  音響発生装置
６  画像表示装置
【図１】
0004739302.tif 000002
【図２】
0004739302.tif 000003
【図３】
0004739302.tif 000004
【図４】
0004739302.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0004739302.tif 000009