情報処理学会 インタラクション 2015
IPSJ Interaction 2015

A522015/3/5

端末を把持する手への触覚刺激による操作指への押下・凹凸感呈示
荒井観†1

木曽 宏顕†1村田一仁†1

概要：タッチパネルを操作する指に触覚刺激を呈示する代わりに，端末を把持する指や掌に触覚刺激を呈示することでハードボタンの押下感や凹凸感を再現する触覚情報呈示端末を開発した．仮説として，タッチパネルの操作に応じて変化する視覚情報とともに端末を把持する手にピストンによる触覚刺激が呈示されることで，実際には刺激が呈示されていない端末を操作する手の指にもその触覚情報が知覚されることが考えられた．そこで，ハードボタンの押下感呈示アプリケーションを開発して実験的に仮説を検討した結果，7 名中 4 名の被験者が把持する手に刺激を与えているにもかかわらず，操作指にも何らかの触覚情報を知覚していた．提案した刺激呈示手法により，触覚刺激呈示場所を代替するだけでなく，錯覚的に操作指に触覚情報を与えられる可能性が示唆された．

Tactile Stimulus Presentation to the Hand Graspinga Touch Screen Mobile
KAN ARAI†1

HIROAKI KISO†1

KAZUHITO MURATA†1

Abstract: In this paper, we proposed a new tactile presentation system for a touch screen mobile. The system presented tactile
stimuli on a hand which grasped the terminal when user touched the screen by the other hand. The system was designed on theassumption that human perceives tactile information by the finger which controls the touch screen when the tactile stimulus ispresented with visual information to a different hand’s finger or a palm. A psychophysical experiment showed that more than halfsubjects perceived tactile information by the finger controlling the touch screen in spite of the fact that tactile stimuli werepresented to the hand grasping the terminal.

1. はじめにネル端末での触覚情報呈示のため，偏心モータなどを用いたフォースフィードバックシステムを開発・提供している．

近年の携帯端末の主流は，従来のハードウェアテンキー

またアルプス電気は偏心モータを使用せず線形な振動によを持つ端末から，スマートフォンやタブレットなどに代表り力を呈示するフォースリアクタ[2]を販売している．これされるタッチパネル端末へ移りつつある．タッチパネル端

らの製品は触覚情報を疑似的に再現しており，小型の携帯末はタッチパネル上に表示されているアイコンに直接触れ端末にも組み込むことが可能であるが，タッチパネルに対てメニューなどを選択することや，パネル上での指の動きして垂直方向の変位を伴うハードボタンを押したときの押に応じて移動・拡大・縮小することが可能であり，直接性・下感（以下，押下感）や，ハードボタン上で指を移動させ直観性の高いものとして認識されている．また，テンキーた時の凹凸感（以下，凹凸感）を呈示することはできなかなどソフトウェアで再現されたボタン（以下，ソフトボタった．これに対して BlackBerryStormン）は，ハードウェアのボタン（以下，ハードボタン）と社)は，液晶パネル全体がハードボタンのように筐体内部に比較して配置変更や機能の変更が容易で，柔軟性が高い．

沈み込むことで押下感を再現しているが，この機構ではハ

しかしながら，多くのタッチパネル端末は触覚フィード(Research In Motionードボタンの凹凸感を与えることはできなかった．

バックがない．そのため，ハードボタンのようにボタンに従来技術において，ハードボタンの押下感と凹凸感をタ触れてから押し込むことはできず，ボタンの凹凸形状などッチパネル上で再現することは，システムの大型化や複雑位置の手がかりもないため，誤操作をしやすい．操作に対化を伴ってしまう．たとえば，押下感や凹凸感のような変するレスポンスも視覚情報に依存してしまうため，視覚情位 を 伴 う 触 覚 刺 激 が呈 示 でき る イ ン タ フ ェ ー スと し て報の応答が遅れた場合には，操作が実際に行われたのか瞬Phantom[3]などが知られているが，最小タイプの Phantom

間的に判断できず，ユーザに対してストレスを与えてしま

Omni でも 1.8kg 程度の重さであり，携帯端末には不向きでう．

ある．偏心による力や振動を利用した小型デバイスを装着

これらのタッチパネルの問題に対して触覚刺激を付与するタイプ[4,5]の触覚情報呈示システムも存在するが，タすることによる解決方法が考えられ，触覚情報呈示技術がッチパネルに対して垂直方向の変位を呈示することは難し開発・研究されてきた．例えば immersion[1]社はタッチパ

く，またデバイスを操作する指先や爪に装置を装着するた†1

NEC 情報・メディアプロセッシング研究所
NEC Corporation, Information and Media Processing Laboratories© 2015 Information Processing Society of Japanめ，日常生活において多用する指の拘束や指への装着が必要となり，やはり携帯端末に向かない点があった．

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そこで，もし触覚刺激を目的とは異なる体の部位に与えても，あたかも目標としている位置に刺激があったかのように知覚させられるならば，これらの機械的制約を取り除くことが期待できる．たとえば端末の側面に小型ピストンなどを実装して，端末を把持している手に変位を伴う触覚刺激を呈示することにより，タッチパネルを操作する指にその触覚情報を知覚させることが可能ならば，携帯端末などに組み込める小型の装置でありながら，端末の操作をする指先に対して拘束をかけずにハードボタンの押下感や凹凸感を呈示することが可能になる．
これまでに，与えられた触覚刺激が異なる身体部位に知

図１ システム構成覚される現象はいくつか知られている．たとえば CutaneousFig.1 Configuration of system

Rabbit [6]は，触覚刺激を腕の場所 A に複数回呈示したのち，続けて異なる場所 B に触覚刺激を複数回呈示すると，A から B に向けて徐々に刺激の呈示された場所が移動したように知覚される現象であった．また，Green[7]は，人差し指と薬指に温かい刺激または冷たい刺激を呈示したときに，刺激を呈示していない中指に対しても両サイドに呈示したのと類似した温度感覚が知覚されることを示した．さらに，
Phantom Sensation[8]は，皮膚上の 2 点に与えた触覚刺激がその 2 点を結ぶ直線上のどこか 1 点に知覚される現象として知られている．近年では異なる身体部位上に与えた温度刺激が振動刺激を与えた場所に知覚される可能性についても検討されている[9]．
これらの現象は身体上の空間に必ず 2 点以上の触覚刺激

図２ 端末外観を呈示する必要があり制約が大きかったが，触覚以外の感Fig.2 Appearance of terminal

覚情報は使われていない．これに対してタッチパネルを持つ携帯端末では，ディスプレイを見て操作することが前提となっているため，視覚刺激を利用することが可能である．
視覚情報が触知覚に寄与することはこれまで多くの研究で知られており[10-15]，触覚刺激の呈示と共に，凹凸感のある視覚刺激や指先の操作によって変化する視覚刺激を呈示することにより，触覚情報が知覚される位置を変えられる可能性が考えられた．
そこで，本稿ではハードボタンのもつ押下感（指で押す感覚と離したときの感覚）や，凹凸感（筐体に対するキーの盛り上がりに触れる感覚）の呈示が可能なタッチパネル型携帯端末を実現するため，操作指の動きに連動して端末

図３ 端末内部構造概略及び寸法（mm）を把持する手に変位を伴う触覚刺激を呈示する新たな端末

Fig.3 Internal structureを提案するとともに，視覚刺激とともに把持する手に触覚刺激を呈示した際に，タッチパネルを操作する指に触覚情樹脂筐体で構成された．DC モータのコントローラには浅報が知覚されるかどうかを実験的に検討した．

草ギ研製小型アクチュエータコントローラ AGB65-SAC を

2. 提案端末とアプリケーション
2.1 ハードウェア使用した．モータおよびタッチパネルの制御は PC により行なった．システムの全体構成を図 1 に，触覚情報呈示端末の外観を図 2 に，端末内部構造の概略と寸法を図 3 に示開発した触覚情報呈示端末は抵抗膜式タッチパネル付液

す．DC モータが回転し，ラック・ピニオンで動力を直進晶ディスプレイ(3.2 インチ)，DC モータ（並木精密宝石製運動に変え，ラックに接続されているピストンが出入りす

SCL10-1810PG22），触覚刺激呈示ピストン（以下ピストン），ることで端末を把持している手に変位や圧力を呈示可能に© 2015 Information Processing Society of Japan344

した．図 2 に示すように触覚刺激呈示部は端末の右側，および左側に 1 つずつ配置しており，触覚刺激をあたえる場所を実験的に検討するためこのような構成とした．
2.2 ソフトウェア
ピストンの制御，並びに液晶ディスプレイに呈示した視覚刺激は Visual C♯ 2008 で構築された．
2.3 ボタンの押下感および凹凸感呈示アプリケーション
液晶ディスプレイ上に表示されたボタンの押下感を呈示するアプリケーションと，ボタンの凹凸感を呈示するア

図４ 端末の基本状態と把持手法プリケーションを実装した．これらのアプリケーションでFig.4 Base position of pistons and grasping posture

は電話のボタンをイメージしてソフトボタンが構成されており，図 2 に示すようにソフトボタンがディスプレイに表示される．触覚刺激を呈示するピストンは，図 4 左側に示すように突出した状態を基本状態とした．端末は左手で図4 右側のように持ち，右手で操作することを想定した．このとき，端末左側ピストンは左手の親指付け根に接触しており，端末右側ピストンは左手の薬指先に接触している．
ボタンの押下感を呈示するアプリケーションの一連の流れを以下に説明する．
操作する右手の指（以下，操作指）がディスプレイ上に表示されているソフトボタンに触れ，それがタッチパネル

図５ 視覚刺激の変化で検知された直後に，ピストンが突出している状態（基本Fig.5 Visual stimulus状態）から任意の時間だけ筐体内部に入る方向に移動することで，ハードボタンの押下を想定した変位が端末を把持している左手に呈示される．ハードボタンの押下を想定しを実現した．
もう一つのアプリケーションとして，ハードボタンの凹凸感覚呈示アプリケーションを説明する．

た変位とは，人がハードボタンを押したときにハードボタ

タッチパネル上で指を走査した際に，押下感呈示と同様ンが筐体から出ている状態から筐体側に引っ込んで，操作にピストンが移動することで，端末を把持している手に対指の位置が筐体側に移動することを意味する．

してボタンの凹凸を想定した刺激を呈示した．具体的には

続いてソフトボタンの押下が完了したのちに操作指が図 5 左側を視覚刺激として常に呈示しておき，操作指がタ

ソフトボタンから離れる際に，指が離れたことをタッチパッチパネル上を走査してソフトボタン上にかかった際に，ネルが検知すると，ピストンが任意の時間だけ筐体外部にピストンを筐体から突出させて筐体から離れる変位を把持出る方向に移動してピストンが接触している左手の部位を手に呈示することで，ハードボタンの凸形状に触れた感覚押すことで，押下されているハードボタンから力を抜いたを再現した．逆に操作指がソフトボタン上からソフトボタ瞬間を想定した変位が端末を把持している左手に呈示されン外の領域に移った際に，ピストンを筐体内に引っ込む方る．ハードボタンから力を抜いた瞬間を想定した変位とは，向に動かして筐体側に近づく変位を把持手に呈示すること

ハードボタンが押されている状態から元の位置に戻ること

で，ハードボタンの凸形状から指が降りた感覚を再現した．

で，指が筐体から離れる方向に移動することを意味する．

以上によりハードボタンの凹凸感呈示を実現した．

上述の流れに従って，ソフトボタンが押された際にはDC モータを回転させることでピストンが筐体内部に引っ3. 実験込むように制御され，ソフトボタンから指が離された際に前章で示した押下感呈示アプリケーションを用いて，端は，DC モータを逆回転させ，ピストンが筐体外部へ出て末を把持している左手に触覚刺激を呈示することにより，いくように制御された．

操作指に触覚情報が知覚されるかどうかを実験した．

視覚刺激はソフトボタンへの接触・非接触のイベントに3.1 目的

同期して，操作指がソフトボタンに触れた際には図 5 左の2.3 節に示した押下感呈示アプリケーションを用いて，ボタンが押されていない状態から図 5 右のボタンが押下さ

触覚刺激の呈示速度，呈示時間，呈示場所をパラメータに，れている状態に切り替わり，操作指が離れた際には図 5 右

端末を把持する手に触覚刺激を呈示することで，タッチパの状態から図 5 左の状態に戻るように制御された．

ネルを操作する指に触覚情報が知覚されるかを実験的に検これらの一連の流れにより，ハードボタンの押下感呈示© 2015 Information Processing Society of Japan

討する．

345

3.2 刺激

3.3 被験者

以下に示す触覚刺激の 3 つの要素をパラメータとして，被験者は 20 代～40 代の男女 7 名であった．実験タスク

タッチパネルを操作する右手の指に触覚情報が知覚されたの説明を行なった後，実験参加にあたっての同意書を提出かどうかを実験した．

してもらい，実験を開始した．

① モータ印加電圧 6V に対する PWM のデューティ比② 一回の刺激呈示でモータに電圧を加え続ける時間（刺激継続時間）

3.4 手順
はじめに被験者には実験手順の説明を印刷したものを読んでもらい，その後それらの内容を口頭で説明した．実③ 触覚刺激が呈示される場所のパターン

験の目的は明示しなかった．評価項目は，「操作指に対して上記①は DC モータを制御するデューティ比であり，（通常の）タッチパネルに触れた時とは異なる感触が得ら30%と 100%の 2 パターンとした．これはピストンの移動速れた」であり，7 段階の尺度で１を「全くそう思わない」，度が変わることを意味し，ピストンが 200gf の力で指を押7 を「強くそう思う」として評価してもらった．したがっす条件下で，それぞれのデューティ比においてピストンのて尺度が 1 以外であれば何らかの触感を得た可能性はあり，速度が 5.6cm/s，19cm/s になると計算された．これはメタ確信の強さを評価する指標であった．呈示した触覚刺激がルドーム式ハードボタンの変形する速度が約 20cm/s との実際のハードボタンの感触を完全に再現したものではなく，計算を参考に設定された．②の刺激継続時間は，ソフトボ押下感の再現性の良し悪しを評価から排除するため「タッタンに触れたこと（または，離れたこと）が検知された瞬チパネルに触れた時とは異なる感触」という表現とした．

間から，DC モータに電圧を与え続ける時間の長さでありまた，把持手に対する触覚刺激の知覚については評価させ1/120, 1/60, 1/30 sec の 3 パターンとした．③はピストンになかった．

よる触覚刺激が把持している手のどこに呈示されるかを意

評価の方法として，前に出された刺激等と比較すること味し，図 4 に示す端末右側のピストンを動作させることになく評価するよう教示するとともに，評価値の違いは等間よる薬指先への刺激呈示（パターン 1），端末左側のピスト

隔な尺度と考えて評価するよう指示した．端末は左手で図ンを動作させることによる親指付け根への刺激呈示（パタ4 右側に示したように持ち，右手人差し指でタッチパネルーン 2），両方のピストンを動かすことによる薬指と親指付を操作してもらった．聴覚情報を可能な限り遮断するため，

け根への刺激呈示(パターン 3)，ソフトボタンの列に応じて被験者はインストラクションの後，耳栓を装着した．

刺激呈示位置を変化させ，1,4,7 を操作した場合親指付け根実験の説明の後，練習セッションとして全 25 条件を 1に，3,6,9 を操作した場合に薬指先端に，2,5,8 を操作した

度ずつランダムで呈示し評価をしてもらった．手順として場合に親指付け根と薬指先端の両方への刺激呈示（パターは液晶ディスプレイ上部に 3 桁の数字が呈示された後，3ン 4）の 4 パターンであった．

桁の数字を上の桁から順番にタッチパネルで入力し，入力これらそれぞれのパラメータの組み合わせを実験条件が終わってから評価値を口頭で応答してもらった．なお，としたため，2×3×4 の 24 条件と，アクチュエータが全くタッチパネル操作時には押そうとした数字のボタンをはっ動かない 1 パターンを合わせた全 25 条件で実験した．

きりと見ながら操作するよう教示した．評価値の応答が終

実験タスクは，液晶ディスプレイ上部(図 5 の 9 個のボタわり，次の数字が液晶ディスプレイに呈示された後に再びンの上部にある枠の中)に表示された 3 桁の数字を順番に数字の入力を行う手順を繰り返した．これらの手順に関し押すこととした．また，3 桁の数字を構成する 3 つの数字ては練習も本番も同様であったが，練習の際に得たデータの組み合わせは，図 5 に示したソフトボタン配列においては解析には用いなかった．練習の後，1 セッション目を開必ず異なる行および列に属し，同じ数字は含まれないこと始し 25 試行が終わったところで，10 分以上の休憩をはさとした．したがって，159，168，249，267，348，357 の 6

み，2 セッション目を開始した．2 セッション目が完了した通りがこのルールを満たす組み合わせであり，各々の並び後にも同様に休憩をとり，3 セッション目を行なった．

替えが 6 通りのため，全 36 パターンの刺激であった．36

3 桁の数字を押すタスクをミスした場合（異なる数字をパターンの 3 桁の数字の中からランダムに選んだ 25 パター

押した場合や 4 つ以上の数字を押してしまった場合）には，ンを触覚刺激の 25 条件に割り当てて呈示することで，1 セ同じ条件をそのセッションの最後に再び呈示するようにし，ッションを構成した．実験は 1 被験者に対して 3 回のセッ1 セッション内で必ず 25 条件のデータが 1 回ずつ取得できションを繰り返し行った．1 セッションが終わった後，残るようにした．

りの 2 セッションについても同様に 36 パターンのうちの3.5 結果

25 パターンの 3 桁の数字がランダムに選択され，触覚刺激実験の結果を図 6 に示す．図 6 は実験を通して一度でもの 25 条件に割り当てられた．以上の操作により，押すべき2 以上の評価をつけた 4 名の被験者のデータである．横軸

ボタン位置の学習等によるタスク難易度の変化がないようは実験条件で，印加電圧に対するデューティ比の割合（%），

配慮した．

並びに刺激継続時間を示す．縦軸は 3 施行の評価値の算術© 2015 Information Processing Society of Japan346

図６ 実験結果．横軸は PWM のデューティ比と刺激継続時間の組み合わせ
Fig.6 Results in experiment
平均値であり，誤差棒は標準誤差である．また，各グラフ

め，被験者間での端末の把持圧力の違いなどを統制していの塗りつぶしの違いは触覚刺激呈示場所のパターンの違いなかった．その結果，手に対する刺激の当たり具合や強度を意味する．4 名の結果は全体として一様な傾向を持ってに差が表れた可能性が考えられた．少なくとも，効果が見いるわけではなかったが，いずれかの条件で 6 を超える評られた被験者内においても，実験条件による評価値の差が価を示しており，条件次第で操作指に刺激を呈示していな明らかにあることから，本現象はすべての触覚刺激の条件いにも関わらず，強い確信をもって触覚情報を知覚していで起こるわけではなく，被験者によって適切な条件があるたことが分かった．

ことが示唆された．

一方で他の 3 名については 1 度も 1 を超える評価をする

また，本実験の結果は視覚刺激のみによって操作指に触ことがなく，これらの被験者は，端末を把持している手に覚情報が知覚されたわけではないことを示しており，7 名呈示された触覚情報が操作指には知覚されなかったことが中 6 名の被験者は視覚刺激のみでは指先での触知覚が起き分かった．また，触覚刺激が呈示されず視覚的なソフトボておらず，残りの 1 名でも評価値は 2 であった．

タンの変化のみが与えられた条件では，6 名の被験者が全Pseudo-Haptic[12]では，視覚情報と自らの動きにより抵抗く操作指に触知覚を得ておらず，残りの 1 名に関しても評感覚などの知覚が起きることを示しているが，本研究では価値 2 という結果であった．

視覚情報によって触覚情報が知覚される傾向は見られなか

3.6 考察った．この理由として，本実験では視覚情報であるソフト

触覚情報を操作指に知覚しない被験者と強く知覚した

ボタンの絵が瞬間的に変わるだけであり，ソフトボタンの被験者に結果は二分されたとともに，操作指に知覚した被押下時に操作指の変位が実際にあるわけでもないため，験者間でも統一的な傾向が見られなかった．統一的な傾向

Pseudo-Haptic が起きる条件ではなかったと考えられる．

が見られなかった理由，および人によって操作指での触知

これまでの触覚刺激の位置知覚に関する錯覚現象では覚が得られなかった理由として，刺激に対する手の当て方

複 数 回 の 刺 激 呈 示 や長 時 間の 刺 激 呈 示 が 必 要 であ っ たの違い，端末を把持する圧力の違いが考えられる．本実験[6,10]．それに対して本手法では単一の刺激を瞬間的に呈示は端末操作等の状況において操作指以外に与えられた刺激することで触覚刺激を呈示した場所と異なる身体部位にもが操作指に知覚されるかを検討することが目的であったた

刺激呈示されたように知覚されることが示唆された．これ© 2015 Information Processing Society of Japan347

は感覚間の相互作用から視覚情報が変化した場所で触覚的変化があったものと人間の情報処理系が判断し，結果的に連続的な刺激や長時間の順応をすることなく，視覚情報によって触覚刺激が与えられた場所とは異なる位置にも触覚情報が知覚された可能性が考えられた．
他の可能性として，与えている刺激は把持している左手の一か所（条件によっては二か所）であるが，操作する右手の指がタッチパネルに触れたことによって操作指にも触覚刺激が与えられている．そのため，把持している手に与えられた刺激と，操作指がタッチパネルに触れたことによる刺激が同時に与えられたため触覚情報が混同され，視覚刺激が伴うことにより左手に与えた触覚刺激が右手の操作指にも知覚されたことが考えられた．
さらに，本実験のみでは操作指にて得られた触覚情報が，端末内に組み込まれた DC モータが動作することによる極めて微小な振動や動き始めの加速度等を，タッチパネルに触れた操作指が知覚した結果である可能性も否定できなかった．しかしながら，今回の実験で操作指に触知覚があった 4 名のうち 3 名に対して，ピストンの開口部をふさいで指に触覚刺激があたらないようにしたうえで本実験と同様の条件による補足実験を実施したところ， 2 名の結果は今回の実験よりも評価値が大きく低下した．このことから今回の結果が，モータの振動や加速度の操作指への伝搬だけでは説明できないと考えられた．
本実験により見られた現象の理由をより明確にするには更なる検証が必要と考えるが，一つ目の可能性として示したように，もしタッチパネルに触れたことによる触覚情報がなくても視覚情報の変化があることで同様の現象が生じるとするならば，タッチパネル式の携帯端末向けにとどまらず，3 次元映像への触覚情報呈示システムとしての応用も考えられる．指の動きに合わせて 3 次元映像を変化させながら，触覚刺激を体のいずれかの部位に加えることで，何も装着していない指で触れた 3 次元映像から変位を含む反力を呈示できるかもしれない．また，操作指が実際に何かに接触する必要があった場合でも，現実に存在している物体への接触をセンシングして，いずれかの身体部位に触覚刺激を呈示することで，その物体の質感や形状感を変化させる現実物体の触覚情報拡張システムなどへの展開が期待される．ただし，これらを実現するには刺激呈示位置と知覚させたい位置の距離の関係性も検討していく必要がある．本研究では，刺激を与えた位置と知覚させた位置が左手と右手であり，身体上においてかなりの距離があったが，一方で現実空間上では非常に近い範囲での刺激呈示位置と知覚させたい場所の関係であった．温度の錯覚現象においては，身体上の空間変化により錯覚強度が変化することや，現実空間の距離に依存しないことが知られており[16]，本現象におけるこれらの検討も必要と思われる．

© 2015 Information Processing Society of Japan

4. 終わりに
操作する指自身にデバイスを装着することなく，また視覚情報を呈示する液晶面に構造的工夫をすることなく，ハードボタンからフィードバックされる押下感や凹凸感を呈示する携帯端末を開発し，条件次第で触覚刺激が呈示されていない操作指に対して触知覚を与えられる可能性を示した．
今後，本現象について，被験者に与えられた刺激強度と知覚の関係や，刺激呈示位置と錯覚の発生の関係など，より基礎的な実験が必要と考えられる．また，本稿では呈示された刺激が知覚される位置に着目したが，刺激の制御方法の違いによる押下感や凹凸感の再現度合いなども検討していきたい．より詳細な検討を進めることで，人間の知覚メカニズム解明や異なる UI としての展開が期待される．

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