情報処理学会 インタラクション 2020
IPSJ Interaction 2020

1B-30
2020/3/9

接触感の提示と形状の再構成が可能なピンアレイ機構
大谷 孟宏†1,a)齊藤 典子†1

木村 信人†1

中田 駿†1

高橋 太郎†1

佐藤 俊樹†2

概要：従来のディスプレイの表面は硬く平面であり，タッチ操作時に押ボタンスイッチを押した時に得られる「押し心地」を提示することは困難であった．また電気刺激や振動による触覚提示手法では表現できる触覚フィードバッグの種類に限界があり，現実感のある触り心地を提示することも困難であった．一方で我々の身の回りに実際にある物体を利用することで，直接的に触覚特性をディスプレイに付与する手法もある．そこで本研究では，利用する物体の上部にピンを配置して物体の持つ実際の触覚特性を間接的に得られる，かつディスプレイを様々な形状に変化させることが可能な，ピンアレイ機構を提案する．

1. はじめに
従来，ディスプレイの表面は「硬く」，「平面的」であるた
め， タッチや押下操作時に，物理的な押ボタンスイッチを押下した時のような押下感を提示することは困難であった．
この問題を解決する手法として，ディスプレイ上に電気的な刺激 [1] や振動などを用いて触覚フィードバックを作
図 1 形状と触覚を分離するピンアレイ機構り出す試みも行われてきた．しかし，疑似的な触覚提示手法では再現可能な触覚フィードバックの種類が限られ，実在の物体に触れた時のような現実感のある触り心地を提示利点があるが，あらかじめ素材をディスプレイ形状に合わすることも困難であった．

せて加工したり，最適な形状の物体を探したり， 機構の組一方で，様々な物や材質・物体・機構等が持つ触覚的な特性をディスプレイに付与することで様々な触覚フィーみ込みなどを事前に行ったりする必要があるなどの欠点がある．

ドバックを生み出す直接的な手法もある．一つに，例えばそこで本研究では，我々の身の回りにあるものから「触ディスプレイの表面を様々な硬度を持つ弾性体でコーティ覚特性のみ」を取り出し，これを用いてディスプレイ上にングしたり，ディスプレイ表面に布を被せたりすることで，様々な形状の接触面 (サーフェス) やボタンを作ることを可

タッチ操作時に「ただ硬い」だけでなく，それらの材質の能にする，新しいピンアレイ機構の提案を行う．

持つ様々な触覚フィードバックを返す手法が挙げられる．

2. 提案

また，例えば砂や水面，手の平・腕などの人体や， 身の回りの道具等の表面に直接映像を投影し， ディスプレイと本研究が目指すのは，我々の身の回りにある様々な「実して用いる手法もある．この場合，深度カメラなどを用い物体 (物・道具)」の持つ「触覚的な特性」のみを取り出し，ることで， 直接指で触れたことを検出することも可能でそれをディスプレイに付与することである．

あり，様々な形状・触り心地を有する物体の表面を， そのこれを実現するために，実物体の持つ様々な特徴のうち，ままタッチスクリーン化することが可能になる [2]．さら手で触れたり押下したりした際の触覚フィードバックの源に，ディスプレイにバネや直動アクチュエータ等の機構をとなる物理的性質と，その物体の持つ形状要素を「分離」内蔵することで， ディスプレイ表面を機械的に動かし触させることに注目した．そしてディスプレイに触覚を付与

覚・力覚フィードバックを返す手法もある．これらの手法する際に，この物理的性質のみを付与し， 形状についてはは， 様々な種類の触覚フィードバックを作り出せるというディスプレイ側が自由に再構成できることを目指した．本†1†2a)

研究では，この「形状と押下特性の分離」を図 1 ようなピ
現在，電気通信大学
現在，北陸先端科学技術大学院大学
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ンアレイ機構を用いて行う．
図 1 (A) は，押しボタンスイッチ上に同じ長さの複数の299

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ピンを並べて配置した様子であり，ピンの上面には下部にも伸びた状態は 75mm で， 最も縮んだ状態では 64mm で配置したボタンの形状に合わせて凹凸面が生じているのがある．またピンを最密充填配置で 19 本並べたピンアレイわかる．ここでユーザがピン上面の凸部を指で押下した場機構に対しヒートガンで加熱を行ったところ，全てのピン合，その縦方向の押下力はピンによって下部のボタンに伝が伸縮可能状態になるのに約 50 秒， またピンにヒートガ達され， (B) のようにピンによってボタンが押下されるこンの冷風を当て常温に戻すために約 80 秒要した．とになる．この時，ボタンを押下した際の押下感は， ピンを伝わってそのままユーザの指にも伝達される．

4. アプリケーション

次に，図 1(C) および (D) は， ピン下部に配置したボタ

提案システムでは，ピンの下部に様々な実物体を配置すンの形状に合わせた凹凸を作っているピンの長さを変え，ることで，それらの物理的な性質を活かしつつ，形状を用ピン上面の接触面の形状を再構成した場合である．(C) に途に合わせて変化させることが可能である．これを応用

おいて接触面は凹凸のないフラットな面になっており，こし，ボタンやタッチスクリーン等の接触・押下操作を行うのようなサーフェス上では平面に埋め込まれたボタンを押ための様々な接触面をデザインすることができる.

下する操作が可能になるが，タッチスクリーン上でドラッグ操作を行うように， ボタン上で指を滑らせるような操作

4.1 様々な表面形状・押下感提示が可能なボタンの実現が可能になる．(D) においては，ボタンの形状を別のボタまず，押下感の異なる複数の実物体を組み合わせてピンンに変化させた場合である． この場合，ボタンの視覚的な下部に配置することで，複雑な押下感を提示可能なボタン特徴が変化し，アフォーダンスも変化する．

機構を作ることが可能になる．例えば，図 3(左) のように，以上のように，ピンアレイを構成するピンの長さを部分ピン下部に円形に配置したボタンの中心部分に軟らかい弾的に変化させることが可能になれば，下部に配置した実物性体を設置し，弾性体上部のピンをスイッチ上部のピンよ体が持つ接触感を上面に伝えつつ，サーフェスの形状を用り長くして配置する状態を考える．これにより，ボタンを途に合わせて再構成することが可能になると考える．

押下した際に，最初に弾性体を押す感覚が伝わった後にボ

3. プロトタイピング

タンが押下される感覚が伝わるため，複雑な押下感を有するボタンを実現することが可能になる．

本研究では，これを次の図 2 に示す長さの固定と伸縮が可能なピン機構を用いて実現する．提案するピン機構は，上下へのピンの長さの自由な伸縮が可能であり， また必要に応じてピンの長さの固定も可能である必要がある．

図 3

二段階のフィードバックを有するボタン (左) と押下時に盛り上がるボタン (右)図 2 伸縮と固定が可能なピン機構 (横方向で図示)

ゴム等の柔軟な素材でできた半球を指で押すと，半球が今回の実装では，長さが異なる 2 種類のパイプをバネと反り返り，裏返る現象が起こる．このときのゴムの弾性と丸棒で連結して構成したピンの内部に融点 47 度のパラフィ半球が反り返る形状の変化を利用すると，ボタンを押したンを充填することで， 外部から熱によるピンの伸縮・固定際にその周囲のサーフェスが円形に盛り上がる特殊な視覚状態をコントロール可能にした．パラフィンは常温 (室温効果のあるボタンを実現することが可能になる (図 3(右))．

25 度程度) では固体であるため， ピンを構成する 2 つのパイプはパラフィンにより固定され外力が加えられても動く

4.2 タッチスクリーンサーフェスへの拡張ことはない．一方で，外部から熱を加えてパラフィンを液提案システムでは，ボタン型の接触面に加え，それらを体にすることで 2 つのパイプと丸棒との連結がなくなり，より大型のタッチスクリーンサーフェスに拡張することがピンは伸縮可能状態になる．なお，2 つのパイプの間には可能である．タッチスクリーンでは，表面で指を滑らせるバネが入っているため， ピンは外力が加えられていない場

ドラッグ操作を行うため, ディスプレイ上に平らな面を構

合はピンの長さはばねの弾性力により伸びた状態に戻るよ成する必要がある [3]．しかし，ピン下部に複数の軟らかなうになっている．ピンの長さを任意の長さに変化させたい

素材を埋め込むことでタッチ操作時の接触感をディスプレ

場合は， 伸縮可能状態のピンをピン上部から力をかけ任意イの場所に応じて変化させたり，平面上に必要に応じて押の長さに縮め，その状態のまま冷却してピンを固定状態に下可能なボタン機構を埋め込んだりすることが可能になる．

変化させる．なお，今回設計したピンは伸縮可能状態で最© 2020 Information Processing Society of Japan300

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5. まとめと展望
本研究では，我々の身の回りにある様々な「実物体 (物・道具)」の持つ「触覚的な特性」のみを取り出し，それをディスプレイに付与することに着目し，伸縮と固定が可能な新しいピン機構を用いたピンアレイ機構を提案することでこれを実現する手法を提案した．今後は様々な形状・触覚フィードバックを持つボタン機構やタッチスクリーン機構の開発を行っていく．
参考文献
[1]

[2]

[3]

Daniel Spelmezan, Deepak Ranjan Sahoo, and Sriram
Subramanian.:Sparkle: Hover Feedback with Touchable
Electric Arcs, In Proceedings of the 2017 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems (CHI’17). ACM, New York, NY, USA (2017).
C. Harrison, H. Benko, and A. D. Wilson.:Omni-Touch:Wearable Multitouch Interaction Every-where, In Proceedings of the 24th Annual ACMSymposium on User
Interface Software and Tech-nology, UIST ’11, pp. 441450, New York, NY,USA (2011).
佐藤俊樹, 大谷孟宏, 齊藤典子.:凹凸面を平面化するピンアレイディスプレイ機構の提案, WISS 2019: 第 27 回イ
ンタラクティブシステムとソフトウェアに関するワークショップ© 2020 Information Processing Society of Japan301