(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
仮想対象の触覚力覚を表現する触覚力覚呈示装置であって、
振動及び回転可能に保持され、内部に空洞が設けられた球体と、
前記球体に対して運動可能な状態で、前記空洞に収納された運動子と、
触覚力覚信号に応じて前記運動子を運動させることによって得られる作用・反作用により前記球体を振動させる駆動手段と、
を備えた触覚力覚呈示装置。
【請求項２】
振動及び回転可能に保持され、内部に空洞が設けられた球体と、
前記球体に対して運動可能な状態で、前記空洞に収納された運動子と、
前記球体が回転されている状態で情報処理装置から入力された触覚力覚信号に応じて前記運動子を運動させることによって得られる作用・反作用により前記球体を振動させる駆動手段と、
前記球体の回転方向及び回転量を検出して回転情報を情報処理装置に出力する検出手段と、
を備えた情報入出力装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は触覚力覚呈示装置及び情報入出力装置に関し、詳しくは、グラフィカル・ユーザー・インターフェース（ＧＵＩ）を利用した情報処理装置の表示部に表示されたボタンやウィンドウの操作感や、人が手指で物に触れたりその表面をなぞったときに感じとる触覚や力覚を、実際に物に触れずに模擬的に指先に与えるための触覚力覚呈示装置及び情報入出力装置に関する．
【０００２】
【従来の技術】
目、耳、鼻、手、指などの受容器官を用いて知覚する体感情報の中で、触覚力覚情報は対象物を認知、判断する場合の最終的な決め手となる場合が多い。即ち、目の前に対象物が存在する場合、人は対象物に手や指で触れることによって対象物の表面の粗滑感や凹凸感などの感触を理解、納得し、さまざまな決定を下していると考えられている。
【０００３】
これに対し、直接手指で触れることのできないテレビやパーソナルコンピュータの画面上に表示される商品や展示物などの情報、または雑誌、パンフレット、カタログ等の文書で紹介される商品等の情報を受け取った場合には、言語的・視覚的に対象を認識できても、その雰囲気を感じ取ったり体感を得ることは困難である。そのため、人は脳の中で自らの経験に基づいてこれらの情報の欠落部分を推測して補完し対象物を理解しているが、補完された情報は個人の経験に基づくものであり、実際に対象物から得られる触覚力覚とは相違する場合もある。
【０００４】
また、パーソナルコンピュータにおいては、その操作を容易にするために、画面上に表示されているボタンやウィンドウを操作することによりコンピュータを操作するＧＵＩ（グラフィカル・ユーザー・インターフェース）が利用されている。このＧＵＩでは、正しくボタンが押されているか等の操作感は画面上の色表示等の変化や音の出力により表現されているのが現状であり、実際に手指に触れているマウスやトラックボール等の入力装置から操作感を感じとることはできない。この通りＧＵＩでの操作感の認知は、視覚情報あるいは簡単な聴覚情報によるものにとどまっており、認知の深さは触覚を伴う場合よりも浅薄になりがちである。その結果、操作時に記憶が曖昧になったり、判断の過ち、遅れを生じたりする。
【０００５】
近年のインターネットなどの主に視覚による情報通信機器の発達、普及に伴い、情報機器上で画像として表示される物の表面に触れたり、なぞったりしたときの触感を得ることへの要求が大きくなるものと予想される。また、より使い易いユーザー・インターフェースへの要求も大きくなるであろう。
【０００６】
従来、実際に触れることができない物の触覚力覚情報を呈示する装置が幾つか提案されている。例えば、特開平６−１９３８５号公報に記載された模擬触覚呈示装置は、操作者が把持しボールの回転により支持面に沿って滑べらせる保持体を備えており、この保持体を把持する指に接触する部位にピンを設置し、ピンを上下させることにより指に対して触覚呈示を行っている。また、特開平７−１９１７９８号公報に記載された入力装置は、可動な球体とこの球体の回転を制御する回転制御部とを備えており、球体と回転制御部とを一緒に上下動させることにより球体に接触している指に対して触覚呈示を行っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平６−１９３８５号公報に記載された模擬触覚呈示装置は、ピンの先端に指を接触させてピンの動作を感じ取るものであるため、指全体で触感を感じとることができない。また指の位置が固定されてしまうので、実際に人が指により物の表面を触れたり、なぞったりしたときに感じとる触感を違和感なく呈示することが困難である。
【０００８】
また、特開平７−１９１７９８号公報に示された入力装置は、可動な球体とその回転制御部とを一緒に上下動させる構造であるため、装置が大きくなると同時に、製作コストが高くなるという問題があり、汎用装置として普及させることは難しい。
【０００９】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、対象物の触覚力覚情報をよりリアルに表現することができる触覚力覚呈示装置を提供することにある。本発明の他の目的は、簡単な構造で、触覚力覚を呈示すると共に情報を情報処理装置に入出力することができ、対象物の触覚力覚情報をよりリアルに表現することができる情報入出力装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の触覚力覚呈示装置は、仮想対象の触覚力覚を表現する触覚力覚呈示装置であって、振動及び回転可能に保持され、内部に空洞が設けられた球体と、前記球体に対して運動可能な状態で、前記空洞に収納された運動子と、触覚力覚信号に応じて前記運動子を運動させることによって得られる作用・反作用により前記球体を振動させる駆動手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明の触覚力覚呈示装置は、振動及び回転可能に保持され、内部に空洞が設けられた球体と、球体に対して運動可能な状態で、空洞に収納された運動子と、を備えており、指で球体を回転させている状態で、駆動手段が、触覚力覚信号に応じて運動子を運動させることによって得られる作用・反作用により球体を振動させて仮想対象の触覚力覚を表現するので、球体を介して微細で複雑な触覚力覚を使用者の手指に伝達することができ、対象物の触覚力覚情報をよりリアルに表現することができる。
【００１２】
本発明の情報入出力装置は、振動及び回転可能に保持され、内部に空洞が設けられた球体と、前記球体に対して運動可能な状態で、前記空洞に収納された運動子と、前記球体が回転されている状態で情報処理装置から入力された触覚力覚信号に応じて前記運動子を運動させることによって得られる作用・反作用により前記球体を振動させる駆動手段と、前記球体の回転方向及び回転量を検出して回転情報を情報処理装置に出力する検出手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
本発明の情報入出力装置は、振動及び回転可能に保持され、内部に空洞が設けられた球体と、球体に対して運動可能な状態で、空洞に収納された運動子と、を備えており、情報処理装置が検出手段から入力された球体の回転情報に応じてポインタを移動させ、画面に表示された画像上にポインタが接触したときから触覚力覚信号を出力する。球体が回転されている状態で、駆動手段が、情報処理装置から入力された触覚力覚信号に応じて前記運動子を運動させることによって得られる作用・反作用により前記球体を振動させて触覚力覚が呈示される。
【００１４】
このように、情報入出力装置の構造の一部である球体を利用して触覚力覚を呈示することにより、簡単な構造で、触覚力覚の呈示と情報の入出力とを行うことができる。また、球体内部に封入された運動子を運動させることにより球体を振動させて仮想対象の触覚力覚を表現するので、球体を介して微細で複雑な触覚力覚を使用者の手指に伝達することができ、対象物の触覚力覚情報をよりリアルに表現することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の触覚力覚呈示機能を備えた情報入出力装置の実施の形態を詳細に説明する。本実施の形態は、本発明の情報入出力装置を情報処理装置のトラックボールに適用した例である。
【００１６】
図１に示すように、トラックボール１０は、箱体１１と、箱体１１の上面に振動及び回転可能に保持された球体１２と、触覚力覚信号に応じて前記球体を磁力により振動させる駆動装置１４Ａ及び１４Ｂと、球体の回転方向及び回転量を検出する検出手段１６とを備えており、駆動装置１４Ａ及び１４Ｂと検出手段１６とは入出力装置１７を介して情報処理装置１８に接続されている。また、情報処理装置１８には、処理結果を表示するモニター２０が接続されている。
【００１７】
球体１２は、箱体１１の上面に設けられた穴部１３に振動及び回転可能に保持されている。球体１２の内部は空洞であり、図２に示すように、球殻２４内部の空洞部２６には、任意に運動することができる運動子２８が封入されている。この運動子２８が空洞部２６中で任意に運動することにより得られる作用・反作用により球体１２が振動する。運動子２８は鉄等の磁性体で構成され、球体１２の外部に配置された駆動装置１４Ａ及び１４Ｂから作用する磁力によって吸引されることにより運動する。このため球殻２４は外部から運動子２８への磁力の伝達を妨げない透磁性材料により構成される。
【００１８】
駆動装置１４Ａ及び１４Ｂは、図１に示すように、球体１２を挟むように球体１２の左右に配置されている。駆動装置１４Ａは電磁石１５Ａと制御回路（図示せず）とから構成され、情報処理装置１８から入出力装置１７を介して入力された触覚力覚信号に応じて、制御回路が電磁石１５Ａへ通電する電流、電圧の大きさと方向を制御し、電磁石１５Ａの磁界の大きさと方向が制御される。このように制御された磁界が球体１２の空洞部２６に封入された運動子２８に作用して運動子２８の運動が制御される。なお、駆動装置１４Ｂも駆動装置１４Ａと同じ構造である。
【００１９】
次に、本実施の形態に係るトラックボール１０の作用について説明する。
【００２０】
使用者がその手指（図示せず）で球体１２を回転操作すると、球体１２の回転方向と回転量とが検出手段１６により検出され、入出力装置１７を介して情報処理装置１８へ入力される。情報処理装置１８へ入力された球体１２の回転情報は、ポインタ３０の運動としてモニター２０に表示される。
【００２１】
図３に示すように、ポインタ３０によりモニター２０に球体１２の回転情報が表示される。モニター２０にはポインタ３０の他にコンピューターファイルを示すアイコン３２が表示されており、ポインタ３０がモニター２０上でアイコン３２と重なるとき、またはポインタ３０がアイコン３２から離れるときに、情報処理装置１８は、入出力装置１７を介して駆動装置１４Ａ及び１４Ｂに触覚力覚信号を出力する。
【００２２】
駆動装置１４Ａ及び１４Ｂの各制御回路は、入力された触覚力覚信号に応じて電磁石へ通電する電流、電圧の大きさと方向を制御し、これにより電磁石１５Ａ及び１５Ｂの磁界の大きさと方向が制御され、制御された磁界が球体１２の空洞部２６に封入された運動子２８に作用して運動子２８の運動が制御される。この運動子２８の運動から得られる作用・反作用により球体１２が振動し、その振動が球体１２を回転操作する使用者の手指に伝達することにより、ポインタ３０の代わりに使用者の手指がアイコン３２に接触したかのような操作感が使用者に呈示される。
【００２３】
また、図４に示すように、モニター２０にポインタ３０の他に表面に微細な凹凸を有する対象物３４が表示されている場合、ポインタ３０がモニター２０上で対象物３４の上を移動するに伴い、情報処理装置１８は、ポインタ３０で対象物３４に触れたときの触覚力覚に応じた触覚力覚信号を、入出力装置１７を介して駆動装置１４Ａ及び１４Ｂに出力する。
【００２４】
駆動装置１４Ａ及び１４Ｂの各駆動回路は、入力された触覚力覚信号に応じて電磁石へ通電する電流、電圧の大きさと方向を制御し、これにより電磁石１５Ａ及び１５Ｂの磁界の大きさと方向が制御され、制御された磁界が球体１２の空洞部２６に封入された運動子２８に作用して運動子２８の運動が制御される。この運動子２８の運動から得られる作用・反作用により球体１２が微細に振動し、その振動が球体１２を回転操作する使用者の手指に伝達することにより、ポインタ３０の代わりに使用者の手指で対象物３４を実際になぞったときに感じとられるような「ざらつき」等のリアルな触覚力覚が使用者に呈示される。
【００２５】
上記実施の形態では、球殻２４内部の空洞部２６に任意に運動することができる単一の運動子２８が封入されている球体を用いた例を示したが、図５に示すように、球殻２４内部の空洞部２６に任意に運動することができる複数の運動子群２８ｍ（図５では３つの運動子）が封入されている球体を用いてもよい。運動子を複数使用することにより、これら運動子群２８ｍのそれぞれが空洞部２６内で任意に運動する作用・反作用により球体１２が振動し、より微細複雑な力覚触覚を使用者の手指に呈示することができる。
【００２６】
なお、本実施の形態では運動子２８は球状としたが、これに限られず、たる形状や無数の突起の有する形状でもよく、表面も滑らかである必要はない。また、空洞部２６の内表面も滑らかである必要はなく、粗面であってもよい。
【００２７】
上記実施の形態では、図６に示すように、電磁石１５Ａ及び１５Ｂを使用者から見て球体１２の左右に配置したが、使用者から見て球体１２の前後に配置してもよい。また、図７に示すように、電磁石１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、及び１５Ｄを使用者から見て球体１２の前後左右に配置し、１５Ａ〜Ｄの４つの電磁石により運動子２８に作用する磁界を制御してもよい。
【００２８】
なお、電磁石の個数は２個または４個に限定されるものではなく、１個、３個、あるいは５個以上とすることができる。電磁石の個数が増加することにより、球体の空洞部に封入された運動子の運動をより精密に制御することができ、球体を介して使用者の手指（図示せず）に力覚触覚をより精度よく呈示することが可能となるので、電磁石の個数は多い方が好ましい。
【００２９】
また、上記実施の形態では、図１に示すように、電磁石１５Ａ及び１５Ｂを側方から見て球体１２の中心よりやや下方に同じ高さで配置したが、球体１２の中心と同じ高さに配置してもよく、複数の電磁石を異なる高さで配置してもよい。電磁石の個数及び配置を多様化することにより、使用者の手指に力覚触覚をより精度よく呈示することが可能である。
【００３０】
また、上記実施の形態では、球体の回転方向及び回転量を検出する検出手段１６を設けて球体の回転情報の入出力を行っているが、情報入出力機能が有しない触覚力覚呈示装置として使用する場合は、このような検出手段を設ける必要はない。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の触覚力覚呈示装置は、球体内部に封入された運動子を運動させることにより球体を振動させて仮想対象の触覚力覚を表現するので、球体を介して微細で複雑な触覚力覚を使用者の手指に伝達することができ、対象物の触覚力覚情報をよりリアルに表現することができる。
【００３２】
また、本発明の情報入出力装置は、情報入出力装置の構造の一部である球体を利用して触覚力覚を呈示することにより、簡単な構造で、触覚力覚の呈示と情報の入出力とを行うことができ、球体内部に封入された運動子を運動させることにより球体を振動させて仮想対象の触覚力覚を表現するので、球体を介して微細で複雑な触覚力覚を使用者の手指に伝達することができ、対象物の触覚力覚情報をよりリアルに表現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の情報入出力装置の構造を示す概略断面図である。
【図２】本実施の形態の情報入出力装置の球体部分の構造の一例を示す概略図である。
【図３】本実施の形態の情報入出力装置の動作例を説明する図である。
【図４】本実施の形態の情報入出力装置の他の動作例を説明する図である。
【図５】情報入出力装置の球体部分の構造の他の例を示す概略図である。
【図６】本実施の形態の情報入出力装置の電磁石の配置を示す上面図である。
【図７】情報入出力装置の電磁石の他の配置例を示す上面図である。
【符号の説明】
１０    トラックボール
１２    球体
１４Ａ〜Ｄ    駆動装置
１６    検出手段
１８    情報処理装置
２０    モニター
２８    運動子
３０    ポインタ
３２    アイコン
３４    対象物
【図１】
0003855561.tif 000002
【図２】
0003855561.tif 000003
【図３】
0003855561.tif 000004
【図４】
0003855561.tif 000005
【図５】
0003855561.tif 000006
【図６】
0003855561.tif 000007
【図７】
0003855561.tif 000008