情報処理学会 インタラクション 2012IPSJ Interaction 20122012-Interaction
2012/3/17

温・冷刺激の空間分割による高応答性温度提示ユニット
佐藤克成†‡

前野隆司‡

装着型の VR インタフェースや携帯端末など，使用時に皮膚と接触状態にあるデバイスにおいて温度感覚の提示する場合，時間応答性が問題となる．本稿では，ヒトの温度知覚特性の中で，閾値が順応温度に依存する，空間分解能が低い，という 2 点に着目し，高い応答性を実現する温度提示ユニットを提案する．温刺激と冷刺激を空間的に分割し，順応温度を調整することで，従来の温度提示手法より温度知覚時間が短縮することを，実験により確認した．

High-Response Thermal Display Unit using
Spatially Distributed Warm and Cold Stimuli
KATSUNARI SATO†‡TAKASHI MAENO‡Time response of thermal display is important problem especially for a device which maintains contacts withhuman skin, such as a glove-type VR interface and a potable terminal. In this paper, we focus on twocharacteristics of human thermal perception, one is that the threshold changes depending on adapting
temperature and another is that the spatial resolution is low, and propose a high-response thermal display unit
based on these characteristics. We confirmed that the proposed method that controls adapting temperature anduses spatially distributed warm and cold stimuli could improve time response of thermal display.

1.

待できる．この場合，家族や恋人などと通話する時にはじめにお互いの温もりを伝え合い，相手の存在をより身近に感じられるようになると考える．

ヒトの触感における温度感覚は，接触対象の状態や材質の認識を可能にする．山本ら[1]は，対象と接触温度感覚の提示においては，その時間応答性が問題後の指先の温度変化を再現することで，金属や木材なとなる．ヒトがモノに接した場合，皮膚表面におけるどの材質感を再現している．さらに，温度感覚はヒト

伝熱の対象が空気からモノへと切り替わり，瞬間的にの情動にも影響することが指摘されており，Williams急激な温度変化が生じる．温度感覚の提示機構として

ら[2]は，身体的な温度が心理的な温かさに関連するは，この温度変化を再現できる，高い応答性が求めらことを示唆している．

れる．特に，装着型の VR インタフェースや携帯端末近年，VR インタフェースや携帯端末をはじめとしのように，使用中にデバイスと皮膚とが接触した状態て，触感を再現するインタフェースが数多く開発されを保つ場合は，この応答性が大きな問題となる．これている．これらは，主に力覚や圧覚・振動覚の提示にらのインタフェースでは，温度感覚の提示機構が常により，触感の再現を試みている．さらに温度感覚を提

皮膚と接触状態にあり，瞬間的な伝熱状態の変化を再示することで，インタフェースが再現する触感の種類現することが困難である．高い応答性を実現するためが増え，ユーザに提供する体験の幅が拡張されると期には高いエネルギーが必要となり，また冷刺激を提示待できる．佐藤ら［3］は，空間的に分布する圧覚とするためには，吸熱したエネルギーを放熱する機構が温度感覚を同時に提示することで，遠隔地のモノの形必要となり，デバイスが大型化する．

状や材質の再現を試みている．串山ら［4］は，映像

我々は，ヒトの温度感覚の知覚特性を利用し，高速と同期した温度感覚を提示することで，蔓や氷の結晶な温度感覚提示を実現する手法に着目する．秋山らに触れその温もりや冷たさを感じられるインタラクテ［5］は，皮膚の順応温度を調整することで，温・冷ィブシステムを構築している．さらに将来的には，携両刺激に対して温度提示を高速化できることを示して帯電話などにも温度感覚の提示機構が搭載されると期いる．本稿ではこの結果に基づき，温刺激と冷刺激をマトリクス状に配置した温度提示ユニットを提案し，† 日本学術振興会その有効性を検証する．

Japan Society for the Promotion of Science‡ 慶應義塾大学システムデザイン・マネジメント研究科
System Design and Management, Keio University

923

2.

提案手法

率の高い物質に接着する．ペルチェ素子の大きさを温度刺激の位置定位精度の半分未満にすることで，使用

本章では，提案手法の基礎となるヒトの温度知覚に者は局所的な温度刺激の位置を正確に把握できず，面関する従来知見を概説し，その上で温度提示ユニット全体からの刺激として知覚すると考えられる．

を紹介する．
2.1

提案する温度提示ユニットを用いた温度変化提示手

温度感覚の知覚特性法の例を図 1b に示す．まず，温刺激用のペルチェ素

ヒトの温度変化に対する感度は，皮膚の温度変化速子では，ユーザに知覚されない範囲で，皮膚の温度が度，皮膚の順応温度，そして温度刺激の面積に依存す初期温度よりも高い順応温度になるように調整する．

ることが知られている．温度変化速度に関しては，変同様に，冷刺激用のペルチェ素子は，皮膚の温度が初化が急激な程，温・冷刺激共に閾値が減少する傾向に期温度よりも低い順応温度になるように調整する．そある［6］．ただし，0.1℃/s より急激な温度刺激に対して温刺激を提示する場合は，温刺激の強度に応じてしては閾値が同程度となる．閾値は温度変化が生じる

温刺激用のペルチェ素子を駆動し，冷刺激用のペルチ前の皮膚の温度（順応温度）によって変化する［7］．

ェ素子は皮膚温度を順応温度に維持する．この場合，順応温度が高いほど温刺激の閾値が減少し，冷刺激にユーザは温刺激のみを提示面全体から知覚する．冷刺対する閾値が上昇する．一方で，順応温度が低いほど激を提示する場合は，冷刺激の強度に応じて冷刺激用冷刺激に対して敏感になり，温刺激に対して鈍感になのペルチェ素子を駆動し，温刺激用のペルチェ素子はる．温度閾値は刺激面積が広いほど小さくなる傾向に順応温度を維持する．この場合は，ユーザは提示面全あり［8］，温刺激に対しては面積が 2 倍になると閾値体からの冷刺激を知覚する．このように温刺激と冷刺は半分程度になる［9］．同様に，冷刺激に対しては面激を空間的に分割し，順応温度を調整することで，積が 4 倍になると閾値は半分程度になる．

温・冷両方の刺激に対して応答性を高められると考え

温度感覚は，圧覚や振動覚など他の触覚に比べ空間る．また提案手法では，温刺激と冷刺激が急に切り替分解能が低い．2 点弁別閾の実験［10］では，前腕にわる場合において，1 つのペルチェ素子に要求されるおける弁別閾が 150mm と報告されている．また，温表面温度変化が，全てのペルチェ素子を一様に温度変刺激の位置定位実験[11]では，位置知覚精度は手の背化させる場合よりも小さくなり，より急速な温度変化

面において 19mm 程度であると報告されている．
2.2を再現できると考える．

温刺激と冷刺激の空間分割

秋山ら［5］の研究では，ヒトの温度閾値が皮膚の順応温度に依存することに着目し，順応温度をユーザに知覚されない範囲で予め調整することによって，温度変化提示の応答性を高める手法を提案している．実験では，15mm 四方のペルチェ素子を上下に 2 つ並べており，それぞれを温刺激と冷刺激を割り当てている．
結果として，温刺激と冷刺激の両方に対し，順応温度を調整することで応答性が 15％程度向上することを確認している．ただし，ペルチェ素子を並べた幅が，温度刺激の位置定位精度 19mm よりも大きいため，被験者は温刺激と冷刺激の位置を認識可能である．
図1 a．温度提示ユニットの構成

本稿では，この順応温度を調整する手法を採用した温度提示ユニットを提案する．提案する温度提示ユニ

3.

b．温度変化提示の例

実験ットの構成を図 1a に示す．1 辺が 10mm 未満のペル提案する温度提示ユニットは，主に以下の 3 つを仮チェ素子 4 つを 2×2 のマトリクス状に配置する．ペ定している．

ルチェ素子の内，温刺激と冷刺激が交差するように，2 つは温刺激，もう 2 つは冷刺激用に割り当てる．ペ1．使用者は局所的な温度刺激を全体的な刺激としルチェ素子は，背面部の放熱が不十分である場合，温て知覚する．

度刺激提示面における温度変化の効率が低下する．そ2．温刺激と冷刺激を分割することで温度変化を高こで，ペルチェ素子の背面は，アルミ板などの熱伝導速に提示できる．

924

3．提案するペルチェ素子の大きさと配置においてモータドライバの出力電圧が同等となるように，予めも順応温度の調整手法［5］が有効である．

Duty 比の調整を行った．

本章の実験では，これら 3 つの仮定を検証した．
3.1

4

実験環境
表面温度変化速度［℃/秒］

実験装置を図 2 に示す．2×2 の 4 つのペルチェ素子を配置した．ペルチェ素子としては，日本テクモ社製のペルチェ素子（TEFC1-03112，8.3mm×8.3mm×2.4mm）を用いた．被験者は，ペルチェ素子の上に人差し指の指先を置いて実験を行った．実験中の室温は24～25℃，湿度は 38～41%程度であった．

3210-2-1012-1-2

温度ディスプレイとしての実装を考えた場合，放熱-3電圧［V］板は小型なほうが望ましい．しかし実験においては，各ペルチェ素子の性能を最大限に引き出すために，ア

図3 ペルチェ素子の電圧－温度変化速度特性

ルミニウム製のヒートシンク（30mm×30mm×20mm）を用いた．ペルチェ素子とヒートシンクは熱伝導両面

3.2

温度刺激の位置知覚実験

まず，使用者が局所的な温度刺激を全体的な刺激とテープで接着し，さらにヒートシンクにはファンを取知覚するか否かを，刺激位置の知覚実験により検証しり付けた．

た．ペルチェ素子のうち 2 面もしくは 4 面から刺激を提示した場合に，知覚される刺激位置と知覚時間を評価した．
被験者はボランティアで，20 代男性 2 人（K.S.とS.A.，K.S.は著者）と 30 代女性 1 人（E.S.）とした．
それぞれ右利きで，指先の体温は 32～33℃程度であった．指幅は 15mm 以上であり，指先を実験装置に載せた際，4 つのペルチェ素子全てに指先が接触した．
各被験者には，実験前に実験手順の説明を行った．
実験手順は以下の通りである．まず被験者は，右手

図2 実験装置の人差し指を実験装置の上に置いた状態で，左手でキペルチェ素子の駆動には TOSHIBA 社製のモータドー操作を行い，実験を開始する．キー操作の後，ランライバ TA7291PA を使用し，モータドライバの制御信ダムで決定される 0.5～1.5 秒のインターバルの後に，号は Arduino 社製の Arduino UNO の PWM ピンから出温刺激もしくは冷刺激が開始される．刺激の提示時間力した．Arduino UNO はシリアル通信でラップトップは最長で 5 秒間である．刺激は，実験装置の 4 つのペPC と接続し，PWM ピンの出力値はラップトップ PC

ルチェ素子のうち，2 つもしくは 4 つ（図 4）からラ上で管理した．ペルチェ素子を駆動する電圧の更新周ンダムに与えられる．被験者は，温刺激もしくは冷刺波数は 200Hz とした．

激を感じた時点で左手のキー操作により刺激を止め，1 つのペルチェ素子を駆動した時の，モータドライ

右手を実験装置から離す．このとき，刺激が開始されバの出力電圧とペルチェ素子表面の温度変化速度を図てから刺激が止まるまでの時間が計測される．そして3 に示す．計測は，ペルチェ素子の表面に石塚電子社

被験者は，感じた刺激が温刺激か冷刺激か，および刺製のサーミスタ 103JT-025 を貼り付け，ペルチェ素子激を感じたペルチェ素子の位置を自由に回答する．そに 3 秒間電圧を加えることで行った．以下の実験では，の後，皮膚とペルチェ素子の表面温度が初期温度に戻得られた温度特性を基に刺激強度を設定した．また，るように，20 秒間休憩する．以上の手順を繰り返し

空気中におけるペルチェ素子の表面温度が，ヒトの指た．の平均的な皮膚温度（32℃）と同等になる，0.35V の被験者に提示した刺激の種類は，温・冷刺激の 2 通電圧を加えた状態を標準とした．

りと，図 4 に示す刺激位置のパターン 7 通りで，合計なお，モータドライバ回路によって PWM の Duty

2×7 の 14 通りとした．各刺激は 5 回ずつ提示した．

比とモータドライバの出力電圧に差があったため，各刺激強度としては，刺激面積の影響を無くすため，
［8］

925

［9］の知見を参考に，2 面刺激の場合は温刺激 1.75V

度調整のための刺激は，被験者に知覚されずに 5 秒間に冷刺激-1.6V，4 面刺激の場合は温刺激 1.0V に冷刺で皮膚温度を 1℃程度変化させる強度として，予備実激-0.95V とした．

験から求めた温刺激 0.65V に冷刺激 0.05V とした．

図4 位置知覚の実験において提示した刺激面のパターン

3.3

温度刺激の知覚速度

次に，温刺激と冷刺激を分割提示することの有効性，および順応温度調整手法の有効性を検証した．実験は温・冷刺激を切り替える場合を想定し，温刺激の後に冷刺激，冷刺激の後に温刺激を行った際の，切り替え
図5 知覚速度の実験において提示した刺激パターン後の温度刺激の知覚時間を評価した．比較のために，
a.

全面提示，b. 分割提示（順応温度調整無し），c.

3.4

分割提示（順応温度調整の有り）の 3 条件（図 5）を結果

位置知覚実験の正答率と知覚時間を図 6 と図 7 に示用意した．

す．それぞれ上のグラフが温刺激の，下のグラフが冷

被験者はボランティアで，20 代男性 3 人（K.S.，刺激の結果である．図 6 において，横軸は被験者を，S.A.，Y.W.，K.S.は著者）と 20 代女性 1 人（A.N.）と縦軸は正答率を表す．ここで正答率とは，（刺激の有した．体温や指の大きさは前節の実験と同様であった．

る箇所を「刺激有り」と回答した回数＋刺激の無い箇

各被験者には，実験前に実験手順の説明を行った．

所を「刺激無し」と回答した回数）÷4，として定義

実験手順は以下の通りである．まず被験者は，右手する．例えば「AB」と提示した際に，「AC」を刺激の人差し指を実験装置の上に置いた状態で，左手でキ有りと回答した場合は正答率 0.5，「A」のみを刺激有ー操作を行い，実験を開始する．キー操作の後，0.5りと回答した場合は正答率 0.75 となる．図 7 の横軸～1.5 秒の後に，5 秒間の事前刺激が開始される．事は被験者を，縦軸は知覚時間を表す．図 6 と図 7 共に，前温度刺激は，ランダムで決定される図 5 中の各条件グラフのバーは被験者の各刺激位置パターンにおけるに基づき与えられる．事前刺激の後に，5 秒間の本刺平均値，エラーバーは標準偏差を表す．なお，温刺激激が提示される．被験者は，温刺激もしくは冷刺激をと冷刺激の判別結果は，どの被験者も正答率 10 割で感じた時点で左手のキー操作により刺激を止める．こあった．のとき，刺激が開始されてから刺激が止まるまでの時

被験者や温・冷刺激の違いによって，正答率が 8 割間が計測される．その後，皮膚とペルチェ素子の表面を超える刺激位置のパターンと，4～6 割程度となる温度が初期温度に戻るように，20 秒間休憩する．以パターンが異なっている．「被験者」，「刺激位置パタ上の手順を繰り返した．

ーン」，「温冷」の 3 要因による分散分析を行った結果，被験者に提示した刺激の種類は，温・冷刺激の 2 通「刺激位置パターン」，および「被験者」と「刺激位りに，提示条件 3 通りで，合計 2×3 の 6 通りとした．

置パターン」の交互作用にそれぞれ有意差（p<.01）

各刺激は 5 回ずつ提示した．刺激強度は前実験と同様が見られた．に，分割提示の場合は温刺激 1.75V に冷刺激-1.6V，一方で知覚時間においても，正答率と同様に「被験全面提示の場合は温刺激 1.0V に冷刺激-0.95V とした．

者」や「刺激位置パターン」，「温冷」の各要因によっ

事前刺激の開始後 4 秒間においては，皮膚の温度が全て異なっている．分散分析の結果，「被験者」と「温面刺激の場合は 1℃，分割刺激の場合は 2℃変化する冷」の交互作用を除く，全ての要因と交互作用についように，刺激を与える時間を調整した．また，順応温て有意差（p<.01）が見られた．

926

知覚速度実験の知覚時間を図 8 に示す．上のグラフ○温刺激が温刺激の，下のグラフが冷刺激の結果である．横軸1は被験者，縦軸は知覚時間，グラフのバーは被験者の正答率

0.8
0.6
0.4

AB

各条件における平均値，エラーバーは標準偏差を表す．

AC

各提示条件における平均知覚時間は，a の場合にAD2.3 秒，b の場合に 2.0 秒，c の場合に 1.7 秒と，提案

BC

0.2
0K.S.

S.A.

BD

手法の場合に最も短くなった．
「被験者」，「提示条件」，

CD「温冷」の 3 要因分散分析の結果，「被験者」と「提ABCD示条件」，および「被験者」と「温冷」の交互作用にE.S.

有意差（p<.01）が見られた．「提示条件」における多被験者重比較を行ったところ，条件 a と条件 b，条件 b と条
○冷刺激

件 c 間にそれぞれ p<.01 で有意差が，また条件 a と条件 b 間には p<.05 で有意差が見られた．

1

○温刺激

0.8

正答率

ABAC

0.6

3.5

AD0.4

3BC

知覚時間［秒］

BD0.2

CD
ABCD

0K.S.

S.A.

E.S.

2.52
a1.5

b1c

被験者
0.50

図6 位置知覚実験の正答率．上：温刺激．下：冷刺激

K.S.

S.A.

○温刺激
5A.N.

○冷刺激

43.5

AB
32AC

3AD

2.5

知覚時間［秒］

知覚時間［秒］

Y.W.
被験者

BCBD1CD
ABCD

0K.S.

S.A.

E.S.

2a1.5

b1c0.5

被験者
0K.S.

○冷刺激

Y.W.

A.N.

被験者

5

図8 知覚速度実験の知覚時間．上：温刺激．下：冷刺激

44.

AB

知覚時間［秒］

S.A.

考察

AC3

位置知覚精度の実験結果から，温・冷両刺激に対し，

AD2BC

2 面刺激の場合も 4 面刺激の場合も正確に刺激位置をBD1判断することは困難であることがわかる．そのため，

CD

温刺激と冷刺激を分割して提示した場合は，提示面全ABCD

0K.S.

S.A.

体からの刺激として知覚されると考える．ただし，被E.S.

被験者

験者によって正確に位置を知覚できる部位があったことから，指の部位によって温度感度が異なると考えら

図7 位置知覚実験の知覚時間．上：温刺激．下：冷刺激927

れる．そのためディスプレイとして使用する際には，能性がある．今後は，この背面における伝熱作用も考

ペルチェ素子毎に知覚強度が同一となるようにキャリ慮に入れた刺激手法を検討していく．

ブレーションを行うことが望ましい．

謝辞

知覚速度の実験結果では，知覚時間の平均は条件 cの場合に最短となり，条件 a の場合に最長となった．

参

位置知覚精度の実験において，2 面の場合と 4 面の場

考文献

1) A. Yamamoto, B. Cros, H. Hasgimoto, and T.
Higuchi: Control of Thermal Tactile Display Basedon Prediction of Contact Temperature，Proc. IEEE
Int’l Conf. Robotics and Automation (ICRA ’04)，
pp. 1536-1541 (2004)．
2) L.E. Williams and J.A. Bargh: Experiencing PhysicalWarmth Promotes Interpersonal Warmth，SCIENCE，Vol. 32，pp. 606-607 (2008)．
3) 佐藤克成, 篠田裕之, 舘すすむ: 遠隔物体の形状と温度の知覚が可能な力触覚情報伝達システム，
日本機械学会 ロボティクス・メカトロニクス講
演会(Robomec2011)，2P1-O03 (2011)．
4) K. Kushiyama, S. SASADA: Thermoesthesia，ACM
SIGGRAPH 2006 Art Gallery (2006)．
5) 秋山史門，佐藤克成，牧野泰才，前野隆司: ヒトの温度知覚特性を利用した温度呈示手法の検討，日本バーチャルリアリティ学会第 16 回大会(2011)．
6) D.R. Kenshalo, C.E. Homes, and P.B. Wood: Warmand Cool Thresholds as a Function of Rate ofStimulus Temperature Change ， Perception &Psychophysics，Vol. 3，pp. 81-84 (1968)．
7) D.R. Kenshalo: Correlations of Temperature
Sensitivity in Man and Monkey, A First
Approximation，Sensory Functions of the Skin with
Special Reference to Man，Y. Zotterman, ed，pp.
305-330，Pergamon Press (1976)．
8) D.R. Kenshalo, T. Decker, and A. Hamilton:
Comparisons of Spatial Summation on the Forehead,
Forearm, and Back Produced by Radiant andConducted Heat，J. Comparative and Physiologicalsychology，Vol. 63，p. 510-515 (1967)．
9) S.L. Berg: Magnitude Estimates of Spatial
Summation for Conducted Cool Stimuli along with
Thermal Fractionation and a Case of Secondary
Hyperalgesia，PhD dissertation，Florida State Univ.
(1978)．
10) A.J.H. Vendrik and E.G. Eijkman: PsychophysicalProperties Determined with Internal Noise ， The
Skin Senses, D.R. Kenshalo, ed.，pp. 178-193，
Charles Thomas (1968)．
11) P.W. Nathan and R.C. Rice，The Localization ofWarm Stimuli，Neurology，vol. 16，pp. 533-540(1966)．

合の知覚速度がほぼ同一であったことから，刺激面積の影響はないと考えられる．また，条件 a に対する条
件 c の知覚時間短縮率は 26％であり，条件 b に対する短縮率は 15%と，秋山ら［5］の研究と同程度となった．以上のことから，今回の実験条件においては，提案する温刺激と冷刺激の空間分割提示，および順応温度の調整手法それぞれが有効であったと考える．ただし 2.1 節でまとめたように，ヒトの温度知覚には様々な要因が影響する．そのため，実際に温度感覚ディスプレイとして応用するためには，ペルチェ素子の大きさや配置する際の間隔，刺激強度や刺激時間などを変化させ，提案手法のロバスト性を評価する必要がある．

5.

本研究は特別研究員奨励費の助成を受けたものである．

おわりに

本稿では，皮膚との接触状態を保つインタフェース
において高速な温度感覚提示を実現するために，温刺激と冷刺激を空間的に分割して行う温度提示ユニットを提案した．8mm 四方のペルチェ素子を用いた装置を実装し，位置知覚精度と知覚時間の実験を行った．
その結果，本稿における実験状況において以下の 3 点を確認できた．
1．提案する温度分割刺激のパターンを特定することは困難である．
2．温刺激と冷刺激の分割提示により，温度提示の温・冷を切り替えた際の応答性が高まる．
3．提案する分割提示においても，予備温度調整により応答性が高まる．
今後はペルチェ素子の大きさや配置間隔，刺激強度などを変化させ，提案手法の適用範囲を検証していく．
また，提案した温度提示ユニットをインタフェースへ実装するために，デバイスの小型化が求められる．
一般に，ペルチェ素子を用いた温度ディスプレイでは放熱が問題となり，デバイスの小型化が困難である．
しかし，提案手法はこの放熱問題が緩和され，小型なデバイスが実現できると期待する．提案手法では，温刺激用と冷刺激用のペルチェ素子を交互に配置している．この時，温刺激部の背面における吸熱と，冷刺激部の背面における発熱とで，相互に作用させられる可928