@phdthesis{oai:sucra.repo.nii.ac.jp:00017926,
 author = {多門, 良},
 month = {},
 note = {xv, 218p, 目次i
図目次ix
表目次xv
第1章 序論1
1.1 研究背景. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 研究目的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 論文構成. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
第2章 弾性表面波5
2.1 弾性表面波. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 弾性表面波の励振. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 弾性表面波の反射. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.3 弾性表面波励振に用いる圧電材料. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.4 IDT の形成. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 弾性表面波デバイス. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1 信号処理デバイス. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1.1 フィルタ[6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1.2 共振子. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1.3 ディレイライン. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1.4 コンボルバ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.2 センサ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.3 アクチュエータ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.3.1 弾性表面波リニアモータ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.3.2 弾性表面波霧化器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
第3章 弾性表面波励振システムの簡易化13
3.1 パルスによる弾性表面波の励振. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1.1 目的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1.2 原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1.3 パルスによる弾性表面波の連続波の励振原理. . . . . . . . . . . . . . 14
3.2 パルスによる弾性表面波励振のシミュレーション. . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2.1 Mason の等価回路モデルを用いたシミュレーション. . . . . . . . . . 16
3.2.2 Smith の等価回路モデルを用いたシミュレーション. . . . . . . . . . 16
3.2.3 等価回路モデルと伝達関数. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.4 インパルス応答のシミュレーション. . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3 パルスによる弾性表面波励振の実現. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.1 FET スイッチング回路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.2 励振実験に使用した弾性表面波振動子. . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3.3 基板表面の振動速度の測定(ハーフブリッジ回路) . . . . . . . . . . . 26
3.3.4 スイッチング回路の改良による印加電圧の改善. . . . . . . . . . . . . 28
3.3.5 基板表面の振動速度の測定(フルブリッジ回路) . . . . . . . . . . . . 31
3.3.6 パルス波による弾性表面波の連続波の励振. . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4 パルスにより励振した弾性表面波の振動速度波形の評価. . . . . . . . . . . 35
3.4.1 シミュレーションとの比較. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.2 振動速度波形におけるゆらぎと安定化. . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4.3 パルス波の周波数変化に対する振動振幅の変化. . . . . . . . . . . . . 40
3.4.4 ゆらぎの評価. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4.5 励振効率. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.5 まとめ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
第4章 弾性表面波皮膚感覚ディスプレイの改善51
4.1 皮膚感覚[33] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.1.1 皮膚感覚. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.1.2 皮膚の構造[34] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.1.3 粗さ感. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2 触覚ディスプレイ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2.1 ピンアレイを利用した触覚ディスプレイ. . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2.2 電気刺激を利用した触覚ディスプレイ. . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2.3 超音波振動を用いた触覚ディスプレイ. . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2.4 音響放射圧を用いた触覚ディスプレイ. . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3 弾性表面波皮膚感覚ディスプレイ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3.1 パッシブタイプ弾性表面波皮膚感覚ディスプレイ. . . . . . . . . . . 56
4.3.2 アクティブタイプ弾性表面波皮膚感覚ディスプレイ[60][61] . . . . . . 57
4.3.2.1 皮膚感覚提示原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3.2.2 ディスプレイの構成. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.2.3 制御システム. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4 皮膚感覚ディスプレイのコンピュータインターフェースへの適用. . . . . . 59
4.4.1 直感的なインターフェース. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.4.1.1 タッチパネル. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.4.1.2 ペンタブレット. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.4.1.3 触覚・皮膚感覚の適用例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.4.2 ペンを用いる皮膚感覚ディスプレイ. . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4.2.1 原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4.2.2 振動子の構成. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4.2.3 制御システム. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.4.2.4 視覚情報との統合. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.4.2.5 デモンストレーション用ソフトウェアの開発. . . . . . . . 68
4.4.2.6 皮膚感覚提示実験. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4.2.7 ペン先の統合によるユーザビリティ向上. . . . . . . . . . . 71
4.4.2.8 速度変化の測定実験. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.5 周波数スペクトルへの着目による提示感覚の改善. . . . . . . . . . . . . . . 74
4.5.1 不自然さの原因. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.5.1.1 粗さの定義. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.5.2 時系列に着目した制御システム(テレタッチ) . . . . . . . . . . . . . . 77
4.5.3 周波数スペクトルに着目した制御システム. . . . . . . . . . . . . . . 79
4.5.3.1 得られる振動の比較. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.5.3.2 擬似乱数列によるゆらぎの生成. . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.5.3.3 制御システム. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.5.3.4 提示可能な周波数帯域. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.5.3.5 速度変化の測定実験. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.5.3.6 弁別実験. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.6 弾性表面波皮膚感覚ディスプレイの大面積化. . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.6.1 移動型振動子. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.6.1.1 デモンストレーション用ソフトウェアの改良. . . . . . . . 91
4.6.2 間接励振の適用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.6.2.1 大面積振動子. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.6.2.2 振動伝播特性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.6.3 パルス駆動による弾性表面波皮膚感覚ディスプレイ. . . . . . . . . . 96
4.6.3.1 直接励振の皮膚感覚ディスプレイへのパルス駆動の適用. . . 98
4.6.3.2 間接励振へのパルス駆動の適用と弾性表面波の指向性調査. 98
4.6.3.3 間接励振の皮膚感覚ディスプレイへのパルス駆動適用時の振動伝播特性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.6.3.4 間接励振の皮膚感覚ディスプレイのシステム構成. . . . . . 101
4.6.3.5 間接励振の皮膚感覚ディスプレイにおける速度変化の測定. 102
第5章 皮膚感覚ディスプレイの応用105
5.1 皮膚感覚提示と力覚提示の融合. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.1.1 力覚提示デバイスを用いた可動範囲の制限. . . . . . . . . . . . . . . 105
5.1.1.1 力覚提示デバイスPHANToM Omni . . . . . . . . . . . . 106
5.1.1.2 制御システムと装置構成. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.1.1.3 力覚提示を行う仮想空間. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.1.1.4 デモンストレーションによる有効性確認. . . . . . . . . . . 107
5.2 障害者向け補助デバイス. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.2.1 視覚障害者. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.2.2 聴覚障害者. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.2.3 視覚障害者と触覚・聴覚. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.2.4 視覚障害者によるコンピュータ利用. . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.2.5 視覚障害者向けコンピュータ操作補助. . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.2.6 視覚障害者に対する皮膚感覚提示実験. . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.2.7 安価な力覚提示デバイスの利用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.2.8 今後の展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2.8.1 皮膚感覚提示デバイスと力覚提示の融合. . . . . . . . . . . 119
第6章 結論121
6.1 本研究で得られた成果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.2 今後の展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
謝辞125
参考文献127
関連発表139
本論文で用いている略語一覧145
付録A プログラム147
A.1 SH-2 マイコンのシリアル通信用プログラム. . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
A.1.1 通常の皮膚感覚ディスプレイの制御プログラム. . . . . . . . . . . . . 147
A.1.2 制御信号に乱数を参照するプログラム. . . . . . . . . . . . . . . . . 148
A.1.3 今後のプロトコル改良にあたって. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
A.2 皮膚感覚提示デモ用ソフトウェア. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
A.2.1 パネルを3 つ表示し，異なる粗さを提示するソフトウェア. . . . . . 150
A.2.1.1 概要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
A.2.1.2 開発環境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
A.2.1.3 動作環境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
A.2.1.4 インストール・アンインストール方法. . . . . . . . . . . . 157
A.2.1.5 使用方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
A.2.2 パネルを任意の数だけ表示し，異なる粗さを提示するソフトウェア. . 157
A.2.2.1 概要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
A.2.2.2 開発環境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
A.2.2.3 XML を用いた設定保存. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
A.2.2.4 GDI を用いたパネル描画. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
A.2.2.5 包含判定アルゴリズム. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
A.2.2.6 ルックアップテーブルの導入による効率的な処理. . . . . . 169
A.2.2.7 動作モード. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
A.2.2.8 動作環境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
A.2.2.9 インストール・アンインストール方法. . . . . . . . . . . . 171
A.2.2.10 使用方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
A.2.3 ペイントソフトに粗さ感覚提示を付加したソフトウェア. . . . . . . . 172
A.2.3.1 概要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
A.2.3.2 開発環境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
A.2.3.3 テクスチャ画像の表示によるリアルな感覚提示. . . . . . . 173
A.2.3.4 動作環境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
A.2.3.5 インストール・アンインストール方法. . . . . . . . . . . . 175
A.2.3.6 使用方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
A.2.4 画像の輝度情報に応じて粗さ感覚を提示するソフトウェア. . . . . . . 176
A.2.4.1 概要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
A.2.4.2 開発環境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
A.2.4.3 二値化とグレースケール化. . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
A.2.4.4 動作環境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
A.2.4.5 インストール・アンインストール方法. . . . . . . . . . . . 178
A.2.4.6 使用方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
A.2.5 iPod を用いて粗さ感覚を提示するソフトウェア. . . . . . . . . . . . 179
A.2.5.1 概要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
A.2.5.2 開発環境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
A.2.5.3 音声による情報送信. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
A.2.5.4 動作環境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
A.3 力覚提示デモ用プログラム. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
A.3.1 仮想空間を生成しPHANToM を用いて力覚提示を行うソフトウェア. 180
A.3.1.1 概要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
A.3.1.2 開発環境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
A.3.1.3 OpenGL による仮想空間の描画. . . . . . . . . . . . . . . 181
A.3.1.4 OpenHaptics Toolkit による力覚提示. . . . . . . . . . . . 181
A.3.1.5 動作環境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
A.3.2 Falcon を用いて力覚提示を行いカーソルを制御するソフトウェア. . . 182
A.3.2.1 概要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
A.3.2.2 開発環境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
A.3.2.3 Falcon API . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
A.3.2.4 Direct3D による仮想空間の描画. . . . . . . . . . . . . . . 183
A.3.2.5 HDAL による力覚提示. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
A.3.2.6 精確なタイマ関数を用いた画面更新. . . . . . . . . . . . . 184
A.3.2.7 動作環境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
A.4 研究を行う上で開発したツール. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
A.4.1 M 系列乱数を生成するソフトウェア. . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
A.4.1.1 概要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
A.4.1.2 開発環境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
A.4.1.3 M 系列の生成. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
A.4.2 FFT 解析を行うソフトウェア. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
A.4.2.1 概要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
A.4.2.2 FFTW によるFFT 解析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
A.4.2.3 窓関数. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
A.4.2.4 周波数分解能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
A.4.2.5 動作モード. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
A.4.2.6 開発環境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
A.4.2.7 動作環境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
A.4.2.8 インストール・アンインストール方法. . . . . . . . . . . . 189
A.4.2.9 使用方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
付録B 皮膚感覚提示デモンストレーション191
B.1 ガラス基板を用いた間接励振弾性表面波皮膚感覚ディスプレイ. . . . . . . . 191
B.1.1 機器の準備と接続. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
B.1.2 使用方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
B.2 ペンタブレット型弾性表面波皮膚感覚ディスプレイ. . . . . . . . . . . . . . 193
B.2.1 機器の準備と接続. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
B.2.2 使用方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
B.3 保守. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
B.3.1 振動子の清掃. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
B.3.2 マーカーペン用スライダニブの製作. . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
付録C 本研究で製作した電気回路199
C.1 FET スイッチング回路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
C.1.1 トランジスタ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
C.1.2 FET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
C.1.3 IGBT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
C.1.4 ハイサイド駆動回路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
C.1.4.1 概要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
C.1.4.2 回路図. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
C.1.4.3 ブートストラップ回路[152][153] . . . . . . . . . . . . . . . 200
C.1.4.4 回路の問題点. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
C.1.5 ハーフブリッジ回路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
C.1.5.1 概要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
C.1.5.2 回路図. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
C.1.5.3 ゲート抵抗と立ち上がり時間の関係及び立ち下がり時間の改善[152] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
C.1.5.4 回路の問題点. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
C.1.6 フルブリッジ回路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
C.1.6.1 概要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
C.1.6.2 回路図. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
C.1.6.3 デッドタイムの生成. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
C.1.6.4 チャタリング除去. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
C.1.6.5 回路の問題点. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
C.2 パルスアンプ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
C.2.1 概要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
C.2.2 構成. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
C.2.2.1 矩形波発振回路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
C.2.2.2 整流・平滑回路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
C.2.3 将来の展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
付録D 力覚提示デバイスの視覚障害者補助デバイスへの応用215
D.1 安価な力覚提示デバイスの利用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
D.2 仮想空間におけるコンピュータ操作. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
D.3 力覚提示によるウィンドウ弁別実験. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217, 主指導教員 : 高崎正也, text, application/pdf},
 school = {埼玉大学},
 title = {超音波振動を用いた皮膚感覚インターフェースに関する研究},
 year = {2017},
 yomi = {タモン, リョウ}
}