知覚システム
【課題】新規な知覚システムを実現すること。
【解決手段】実施例１の知覚システムは、人や物体に取り付けられた励振器１と、励振器１から離間して設けられた電磁場変動検出器２と、知覚装置３と、を備えている。電磁場変動検出器２は、互いに離間して設けられた２つのアンテナ２０Ａ、Ｂを有し、励振器１からの電磁波をアンテナ２０Ａ、Ｂで受信して、受信した２つの電気信号の位相差を測定する。知覚装置３は、電磁場変動検出器２によって測定した位相差の時間変化を、人の知覚に訴える現象に置き換えて、人に知覚させる。
【解決手段】実施例１の知覚システムは、人や物体に取り付けられた励振器１と、励振器１から離間して設けられた電磁場変動検出器２と、知覚装置３と、を備えている。電磁場変動検出器２は、互いに離間して設けられた２つのアンテナ２０Ａ、Ｂを有し、励振器１からの電磁波をアンテナ２０Ａ、Ｂで受信して、受信した２つの電気信号の位相差を測定する。知覚装置３は、電磁場変動検出器２によって測定した位相差の時間変化を、人の知覚に訴える現象に置き換えて、人に知覚させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体や人の周囲の状況変化を検出し、それを音、振動などに変換して人に知覚させる知覚システムである。
【背景技術】
【０００２】
人間の知覚には、感覚器官の特性などにより限界がある。そこで、人間の知覚を拡張させる技術が研究されている。非特許文献１には、ヘッドバンドに物体の距離情報を検知する赤外線センサを複数組み込み、赤外線センサの検出した信号を元にバイブレータを動かして人体に刺激を与える装置が示されている。この装置によると、赤外線センサを昆虫の触角のように動作させて、物体が皮膚に直接触れずとも触覚を得ることができ、たとえば視覚外である背後から物体が近づいてくる場合にも、その物体の接近を触覚として知覚することができる。つまり、人間の触覚を拡張させるような効果を非特許文献１の装置によって得ることができる。
【０００３】
他方、人体を励振させて、人体表面に電磁場を伝搬させる技術が知られている（特許文献１、非特許文献２、３）。特許文献１には、送信機と受信機をそれぞれ人体の近傍に配置して、人体表面に電磁場を伝搬させることにより、送信機と受信機とでデータ通信を行う人体通信システムが示されている。また、非特許文献３のように、送信機の送信電極近傍にグランド電極を配置することで、局所的に人体表面に電磁場を伝搬させることも可能であることが示されている。
【０００４】
また、人体以外の物体、たとえば車や家なども励振させることができることも知られている（特許文献２、３）。特許文献２には、車体を励振させて通信を行う通信システムが開示されており、特許文献３には、家を励振させて通信を行う通信システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４５８６６１８号
【特許文献２】特表２００５−５２８８４８
【特許文献３】特表２００４−５２３１７５
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Alvaro Cassinelli, Carson Reynolds, Masatoshi Ishikawa, "Augmenting spatial awareness with Haptic Radar," Wearable Computers, 2006, 10th IEEE International Symposium on, pp.61-64
【非特許文献２】根日屋英之，”人体通信の最新技術”，電波技術協会報ＦＯＲＮ−２０１０．１ Ｎｏ．２７２，ｐｐ．２４−２７
【非特許文献３】藤井勝之，伊藤公一，田島茂，”人体を伝送路として利用したウェアラブル送受信機の信号伝送状況の計算モデルに関する検討，”電子情報通信学会論文誌 Ｂ Ｖｏｌ．Ｊ８７−Ｂ Ｎｏ．９ ｐｐ．１３８３−１３９０，２００４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、非特許文献１のような赤外線レーダを用いた知覚システムでは、光の直進性によって以下のような問題が生じる。第１に、知覚範囲全体をカバーすることには多くのレーダが必要となり、システムの複雑化や高コスト化を招くこととなる。第２に、カーテンなどによって遮蔽されると、その先にある物体を知覚することができなくなってしまう。第３に、赤外線センサは物体からの赤外線の反射があるかないかを検出するため、デジタル的な間隔であり、アナログ的な感覚を伝えにくい。
【０００８】
また、特許文献１〜３のような物体や人体を励振させる技術を、非特許文献１のような人体の知覚を拡張させるシステムに応用することは今まで試みられたことはなかった。
【０００９】
そこで本発明は、物体や人体を励振させて人体に知覚させる新規な知覚システムを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の発明は、周囲の環境変化を人に知覚させる知覚システムにおいて、物体あるいは第１の人体を励振させ、その周囲に電磁場を伝搬させる励振器と、電磁場の変動を、離間して配置された２つのアンテナあるいは電極と、各アンテナあるいは各電極に接続する乗算器と、を有し、各アンテナあるいは各電極により受信した電気信号を第１乗算器により乗算することで、受信した２つの電気信号の位相差を測定する電磁場変動検出器と、位相差の時間変化を人の知覚に訴える現象に置き換えて、第１の人体あるいは他の第２人体に伝える知覚装置と、を備えることを特徴とする知覚システムである。
【００１１】
「アンテナあるいは電極」とあるのは、励振器から放射される電磁波を受信する場合にはアンテナ、電磁場の変動を直接とらえる場合には電極を用いる意味である。励振器と電磁場変動検出器との距離が励振器の発振波長よりも十分に遠い場合にはアンテナを用い、十分に近い場合には電極を用いるのがよい。
【００１２】
人の知覚に訴える現象とは、たとえば、視覚、聴覚、触覚、平衡感覚、などに訴える現象であり、視覚に訴える現象としては表示装置などによる表示、聴覚に訴える現象としては音、触覚に訴える現象としては圧力、風、振動、温度、または電気刺激などである。
【００１３】
位相差の時間変化はすなわち周波数であり、人の知覚に容易に訴えることができる周波数となるよう、電磁場変動検出器は位相差を拡大変換するなどしてもよい。たとえば下記第２〜５の発明のようにして、人の知覚に容易に訴えることができる周波数となるようにしてもよい。なお、人の知覚に容易に訴えることができる周波数は、１〜１０００Ｈｚである。
【００１４】
励振器が励振させる物体は、たとえば車両であり、第１の人体あるいは第２の人体は、たとえば車両の座席に座るドライバーである。
【００１５】
第２の発明は、第１の発明において、励振器の発振波長をλとして、２つのアンテナあるいは電極は、λ／２以下の間隔で配置されており、電磁場変動検出器は、各アンテナあるいは電極と、第１乗算器との間に、それぞれ電気信号の位相をＮ倍（Ｎは１より大きい実数）する第１のＰＬＬ回路をさらに有し、位相差のＮ倍を測定する、ことを特徴とする知覚システムである。
【００１６】
第３の発明は、第２の発明において、位相差のＮ倍の時間変化が、１〜１０００ＨｚとなるようにＮを設定することを特徴とする知覚システムである。
【００１７】
第４の発明は、第１の発明において、励振器の発振波長をλとして、２つのアンテナあるいは電極は、λ／２より大きい間隔で配置されており、電磁場変動検出器は、前記励振器の発振周波数とは異なる周波数の電気信号を出力する第２のＰＬＬ回路と、各アンテナあるいは電極からの電気信号と、第２のＰＬＬ回路からの電気信号とを乗算して、電気信号の周波数をより低い周波数に変換する２つの第２乗算器と、をさらに有する、ことを特徴とする知覚システムである。
【００１８】
第５の発明は、第１の発明において、電磁場変動検出器は、前記励振器の発振周波数とは異なる周波数の電気信号を出力する第１のＰＬＬ回路と、各アンテナあるいは電極からの電気信号と、第１のＰＬＬ回路からの電気信号とを乗算して、電気信号の周波数をより低い周波数に変換する２つの第２乗算器と、第２乗算器と第１乗算器との間に接続された、第２乗算器からの電気信号の位相をＮ倍（Ｎは１より大きい実数）する第２のＰＬＬ回路と、をさらに有する、ことを特徴とする知覚システムである。
【００１９】
第６の発明は、第１の発明から第５の発明において、知覚装置は、位相差の時間変化を表示、振動、音、圧力、風、または電気刺激に置き換えて、第１の人体または他の第２人体に伝える、ことを特徴とする知覚システムである。
【００２０】
第７の発明は、第１の発明から第６の発明において、電磁場変動検出器は、測定した位相差の情報を無線で送信する送信機を有し、知覚装置は、電磁場変動検出器からの位相差の情報を無線で受信する受信機を有する、ことを特徴とする知覚システムである。
【００２１】
第８の発明は、第１の発明から第７の発明において、励振器は、第１の人体に取り付けられ、その第１の人体を励振させるものであり、電磁場変動検出器のアンテナあるいは電極は、第１の人体の動きを検出したい箇所に取り付けられ、電磁場変動検出器は、第１の人体の動きを位相差として測定する、ことを特徴とする知覚システムである。
【００２２】
第９の発明は、第１の発明から第７の発明において、励振器は、第１の人体に取り付けられ、その第１の人体を励振させるものであり、電磁場変動検出器のアンテナあるいは電極は、物体に取り付けられ、電磁場変動検出器は、第１の人体と物体との接近を位相差として測定する、ことを特徴とする知覚システムである。
【００２３】
第１０の発明は、第１の発明から第７の発明において、励振器は、物体に取り付けられ、その物体を励振させるものであり、電磁場変動検出器のアンテナあるいは電極は、物体の励振器の取付箇所とは異なる箇所に取り付けられ、電磁場変動検出器は、励振器と電磁場変動検出器のアンテナあるいは電極との間にある物体近傍の領域の変動を位相差として測定する、ことを特徴とする知覚システムである。
【００２４】
第１１の発明は、第１の発明から第７の発明において、励振器は、物体に取り付けられ、その物体を励振させるものであり、電磁場変動検出器のアンテナあるいは電極は、第１の人体に取り付けられ、電磁場変動検出器は、第１の人体と物体との接近を位相差として測定する、ことを特徴とする知覚システムである。
【００２５】
第１２の発明は、第１の発明から第７の発明において、励振器、電磁場変動検出器のアンテナあるいは電極は、車両の外周に取り付けられ、電磁場変動検出器は、車両外周近傍の領域の変動を位相差として測定する、ことを特徴とする知覚システムである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は、励振器と電磁場変動検出器との間にマルチパスが存在する環境であることを利用している。励振器と電磁場変動検出器との間に人体や物体が存在すると、マルチパスの影響が変化し、電磁場変動検出器によって検出する電磁場の位相が変化する。本発明の電磁場変動検出器では、これを２つのアンテナあるいは電極によって位相差として検出し、知覚装置においてその位相差の変化を知覚に訴える現象に置き換えることで、人に励振器と電磁場変動検出器との間に何らかの環境変化があったことを知覚させている。このように、本発明は、いわば人の知覚を拡張させるようなシステムである。
【００２７】
本発明は、励振器を第１の人体に取り付け、電磁場変動検出器を第１の人体の指、手、足などに取り付けることで、それらの箇所に何かが接近すると知覚として感じることができる。非接触でこのような知覚を得ることができるため、たとえば安全システムなどへの応用が可能である。
【００２８】
また、本発明は、励振器を第１の人体に取り付け、電磁場変動検出器を第１の人体の指、手、足などに取り付け、第３者（第２の人体）の知覚へ訴えることで、第３者が第１の人体のどの箇所が動いたかをモニターすることができ、たとえばゲームや病人の監視などに役立てることができる。
【００２９】
また、本発明は、励振器を第１の人体に取り付け、電磁場変動検出器を物体に取り付けることで、第１の人体への物体の接近を非接触で知覚することができ、たとえば安全システムなどへの応用に役立てることができる。
【００３０】
また、本発明は、励振器を第１の人体に取り付け、電磁場変動検出器を物体に取り付け、第３者の知覚へ訴えることで、たとえば、第３者である第２の人体が、第１の人体への物体の接近をモニターすることができ、たとえば監視や物体への関心度のモニターに役立てることができる。また、励振器を物体に取り付け、電磁場変動検出器を第１の人体に取り付けた場合も同様に、物体への関心度のモニターに役立てることができる。
【００３１】
また、本発明は、励振器を物体に取り付け、電磁場変動検出器を同じ物体に取り付けることで、たとえばその物体の関心の高さをモニターすることができ、マーケティングなどに応用することができる。
【００３２】
また、本発明は、励振器を物体（たとえば階段や壁）に取り付け、電磁場変動検出器を第１の人体に取り付けることで、たとえば目の不自由な方に物体への接触前に物体の存在を知覚させることができ、目の不自由な方の誘導に応用することができる。
【００３３】
また、本発明は、車両の周囲に励振器、電磁場変動検出器を取り付けることで、たとえば車両の外周の環境変化を車両内のドライバーに知覚させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施例１の知覚システムの構成について示した図。
【図２】励振器１の構成に示した図。
【図３】電磁場変動検出器２の構成について示した図。
【図４】実施例１の知覚システムの他の構成について示した図。
【図５】実験例１で用いた他の電磁場変動検出器２の構成について示した図。
【図６】励振器１および電磁場変動検出器２の取付位置を示した図。
【図７】電磁場変動検出器２の出力波形を示した図。
【図８】電磁場変動検出器２の出力波形を拡大して示した図。
【図９】電磁場変動検出器２の出力波形を拡大して示した図。
【図１０】電磁場変動検出器２の出力波形を示した図。
【図１１】実施例１の知覚システムの他の構成について示した図。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００３６】
図１は、実施例１の知覚システムの構成について示した図である。実施例１の知覚システムは、励振器１と、電磁場変動検出器２と、知覚装置３と、を備えている。
【００３７】
図２は、励振器１の構成を示した図である。励振器１は、発振器１０と、バンドパスフィルタ１１を介して発振器１０に接続するアンテナ１３と、によって構成されている。バンドパスフィルタ１１は、発振器１０の発振する電気信号の周波数帯のみを透過させるものである。これらバンドパスフィルタ１１は必ずしも必要なものではないが、ノイズ等を除去して実施例１の知覚システムの知覚感度等を向上させるためにはこれらを設けることが望ましい。バンドパスフィルタ１１からの電気信号は、アンテナ１３より電磁波として空間に放射される。
【００３８】
励振器１は、人体に何らかの変化を知覚させたい場所近傍の物体や第１の人体に設置されている。発振器１０の発振周波数は、第１の人体や物体を励振して、人体表面や物体表面に電磁場を伝搬させることができる周波数であってもよい。ここでいう電磁場の伝搬は、電磁波として空間に放射されずに物体表面近傍にのみ伝搬している場合（準静電界が支配的なモード）である。ただし、準静電界が支配的なモードでの電磁場の伝搬を利用する場合には、アンテナ１３に替えて電極を用いる。人体表面に準静電界が支配的なモードで電磁場を伝搬させるためには、発振器の発振周波数は１〜１００ＭＨｚとすることが望ましい。
【００３９】
図３は、電磁場変動検出器２の構成について示した図である。電磁場変動検出器２は、励振器１のアンテナ１３から所定の距離離れた場所に位置し、かつ、互いに離間して設けられた２つのアンテナ２０Ａ、Ｂを有している。ただし、励振器１においてアンテナ１３に替えて電極を用いている場合にはアンテナ２０Ａ、Ｂに替えて２つの電極を用いる。この２つのアンテナ２０Ａ、Ｂによって、アンテナ１３からの電気信号を受信する。アンテナ２０Ａ、Ｂは、それぞれバンドパスフィルタ２１Ａ、Ｂ、増幅器２２Ａ、Ｂを介して乗算器２３Ａ、Ｂの入力側に接続されている。バンドパスフィルタ２１Ａ、Ｂは、発振器１０の発振周波数帯のみを透過するものであり、増幅器２２Ａ、Ｂは、それぞれバンドパスフィルタ２１Ａ、Ｂからの電気信号を増幅するものである。
【００４０】
また、乗算器２３Ａ、Ｂのもう一方の入力側にはＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ）回路２４が共通して接続されている。ＰＬＬ回路２４は、周波数が発振器１０の発振周波数に近い信号を生成するものである。この乗算器２３Ａ、Ｂにおいて、アンテナ２０Ａ、Ｂからの電気信号にＰＬＬ回路２４からの信号を乗ずることで、アンテナ２０Ａで受信した電気信号と、アンテナ２０Ｂで受信した電気信号との位相を比較しやすい中間周波数の電気信号へとダウンコンバートしている。乗算器２３Ａ、Ｂの出力側は、それぞれバンドパスフィルタ２５Ａ、Ｂ、ＰＬＬ回路２６Ａ、Ｂ、増幅器２７Ａ、Ｂを介して、乗算器２８の２つの入力側に接続されている。バンドパスフィルタ２５Ａ、Ｂは中間周波数帯の信号のみを透過させるものであり、また、ＰＬＬ回路２６Ａ、Ｂは、バンドパスフィルタ２５Ａ、Ｂからの電気信号の周波数をＮ倍（Ｎは１より大きい実数）して出力する。増幅器２７Ａ、ＢはＰＬＬ回路２６Ａ、Ｂからの電気信号を増幅させるものである。また、乗算器２８は、増幅器２７Ａ、Ｂからの電気信号を乗じて出力する。この乗算器２８から出力される電気信号は、アンテナ２０Ａで受信した電気信号と、アンテナ２０Ｂで受信した電気信号との位相差のＮ倍を反映したＤＣ値である。そして、乗算器２８の出力側は、ローパスフィルタ９を介して知覚装置３側に接続されている。
【００４１】
なお、乗算器２３Ａ、ＢとＰＬＬ回路２４とを用いたダウンコンバートは、必ずしも必要ではない。励振器１の発振器１０の発振周波数が低いものを用いる場合には、乗算器２３Ａ、Ｂ、ＰＬＬ回路２４を省略した構成（図１１参照）としてもよい。また、ＰＬＬ回路２６Ａ、２６Ｂもまた、必ずしも必要ではない。アンテナ２０Ａ、Ｂで受信する電気信号の位相差の変化が十分に大きいのであれば、ＰＬＬ回路２６Ａ、Ｂを省略した構成（図５参照）としてもよい。ただし、アンテナ２０Ａ、Ｂの間隔が発振器１０の発振波長をλとしてλ／２以下である場合には、アンテナ２０Ａ、Ｂで受信する電気信号の位相差が非常に小さくなってしまう場合があるため、その場合にはＰＬＬ回路２６Ａ、Ｂを設けて位相差を拡大するようにするとよい。
【００４２】
知覚装置３は、たとえば有線で電磁場変動検出器２に接続され、アンテナ２０Ａで受信した電気信号と、アンテナ２０Ｂで受信した電気信号との位相差のＮ倍を反映したＤＣ値を受信する。そして、そのＤＣ値の時間変化、すなわち周波数に基づいて、表示装置への表示、スピーカーからの音声出力、送風機からの送風、アクチュエータによる皮膚への振動、圧力の印加、電気刺激装置による電気刺激などによって、第１の人体あるいは第３者である第２の人体に知覚させる。
【００４３】
なお、図４のように、電磁場変動検出器２に送信機４、知覚装置３に受信機５を設けて、電磁場変動検出器２と知覚装置３とを無線で接続するようにしてもよい。無線通信の規格は任意であるが、たとえばブルートゥースなどを利用することができる。
【００４４】
次に、実施例１の知覚システムの動作について説明する。
【００４５】
まず、励振器１の発振器１０によって電気信号を生成し、バンドパスフィルタ１１を通すことでノイズ成分等を除去したのち、アンテナ１３より電磁波を放射させて空間に伝搬させる。
【００４６】
空間を伝搬する電磁波を、電磁場変動検出器２のアンテナ２０Ａ、２０Ｂによって受信する。アンテナ２０Ａ、Ｂは離間しているため、励振器１のアンテナ１３と、電磁場変動検出器２のアンテナ２０Ａ、Ｂとの相対的な距離に応じて、アンテナ２０Ａ、Ｂが受信する電気信号の位相は異なる。以下、説明の簡略化のため、電磁場変動検出器２のアンテナ２０Ａで受信する電気信号をｃｏｓ（ωｔ＋θＡ）、アンテナ２０Ｂで受信する電気信号をｃｏｓ（ωｔ＋θＢ）として考察する。ωは２πｆであり、ｆは発振器１０の発振周波数である。
【００４７】
アンテナ２０Ａで受信した電気信号ｃｏｓ（ωｔ＋θＡ）は、バンドパスフィルタ２１Ａによって発振器１０の周波数帯域のみが透過され、増幅器２２Ａによって信号が増幅される。また、アンテナ２０Ｂで受信した電気信号ｃｏｓ（ωｔ＋θＢ）は、バンドパスフィルタ２１Ｂによって発振器１０の周波数帯域のみが透過され、増幅器２２Ｂによって信号が増幅される。
【００４８】
増幅器２２Ａ、Ｂからの電気信号は、乗算器２３Ａ、Ｂにおいて、それぞれＰＬＬ回路２４からの電気信号と乗算される。ＰＬＬ回路２４からの電気信号をｓｉｎ（ωLOｔ＋θLO）とすれば、乗算器２３Ａからの出力は、ｓｉｎ（Δωｔ＋θＡ−θLO）の成分と、周波数がω＋ωLOの成分である。ここで、Δω＝ω−ωLOと置いた。この周波数がω＋ωLOの成分についてはバンドパスフィルタ２５Ａによってカットされる。同様に、乗算器２３Ｂからの出力は、ｓｉｎ（Δωｔ＋θＢ−θLO）の成分と、周波数がω＋ωLOの成分であり、周波数がω＋ωLOの成分はバンドパスフィルタ２５Ｂによってカットされる。
【００４９】
バンドパスフィルタ２５Ａからの電気信号は、ＰＬＬ回路２６Ａによって周波数、位相がＮ倍され、電気信号ｓｉｎ（Ｎ×（Δωｔ＋θＡ−θLO））が出力される。同様にバンドパスフィルタ２５Ｂからの電気信号は、ＰＬＬ回路２６Ｂによって周波数、位相がＮ倍され、電気信号ｓｉｎ（Ｎ×（Δωｔ＋θＢ−θLO））が出力される。
【００５０】
ＰＬＬ回路２６Ａ、２６Ｂからの電気信号は、増幅器２７Ａ、Ｂによってそれぞれ増幅されたのち、乗算器２８によって乗算される。乗算器２８からの出力は、ｃｏｓ（Ｎψ）の成分と、周波数が２ＮΔωの成分である。ここで、ψ＝θＡ−θＢとおいた。ψはアンテナ２０Ａで受信した電気信号とアンテナ２０Ｂで受信した電気信号との位相差である。このうち、周波数が２ＮΔωの成分はローパスフィルタ２９によりカットされるため、ｃｏｓ（Ｎψ）の成分のみが知覚装置３へと送出される。
【００５１】
知覚装置３は、ｃｏｓ（Ｎψ）からＮψを算出し、Ｎψの時間変化Ｎ＊ｄψ／ｄｔ、すなわち周波数を算出する。そして、その周波数に応じて、表示装置への表示、スピーカーからの音声出力、送風機からの送風、アクチュエータによる皮膚への振動、圧力の印加、電気刺激装置による電気刺激などによって、人体に知覚させる。ここで、Ｎψの時間変化は、励振器１と電磁場変動検出器２との間に形成されるマルチパス環境の変化に対応して生ずるものである。マルチパス環境の変化は、励振器１と電磁場変動検出器２との間の領域での人体や物体の接近、離脱などによって生ずる。したがって、実施例１の知覚システムによれば、励振器１と電磁場変動検出器２間の領域の環境変化を非接触で人体に知覚させることができる。
【００５２】
なお、人が感じる振動加速度の周波数範囲は０．１Ｈｚ〜５００Ｈｚと言われており、音については２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚが可聴範囲である。また、音の時間分解能は、最短で１ｍｓと言われており、音の聞き分けには１ｋＨｚ以下の変調とする必要がある。また、低周波治療器による電気刺激のパルス間隔は２０ｍｓ程度であり、５０Ｈｚ程度である。これらの知覚の事例を総合すると、Ｎψの時間変化である周波数は、１〜１０００Ｈｚの範囲であることが望ましい。この範囲であれば、電磁場変動検出器２からの出力を容易に知覚刺激へと変換することが可能である。また、Ｎψの時間変化である周波数が１〜１０００Ｈｚの範囲となるように、励振器１の発振器１０の発振周波数およびＰＬＬ回路２６Ａ、ＢのＮの値を設定することが望ましい。
【００５３】
以下に実施例１の知覚システムの利用態様を列挙する。
【００５４】
［利用例１］
励振器１および知覚装置３を第１の人体に取り付け、電磁場変動検出器２は第１の人体の動きを検出したい場所（たとえば指、手、腕、足など）に取り付ける。このようにすれば、第１の人体の動きを検出したい場所に何かが接近した場合に、非接触で第１の人体はその何かを知覚することができる。
【００５５】
［利用例２］
励振器１を第１の人体に取り付け、知覚装置３を第３者である第２の人体に取り付け、電磁場変動検出器２を第１の人体の動きを検出した居場所に取り付ける。このようにすれば、第２の人体は、第１の人体のどの箇所が動いたのかを知覚によりモニターすることができる。これはゲームや病人の監視などに利用することができる。
【００５６】
［利用例３］
励振器１および知覚装置３を第１の人体に取り付け、電磁場変動検出器２は物体に取り付ける。このようにすれば、物体が第１の人体に近づいてくるのを、第１の人体自身が非接触で知覚することができる。これは安全システムなどへの応用に役立てることができる。
【００５７】
［利用例４］
励振器１を第１の人体に取り付け、知覚装置３を第３者である第２の人体に取り付け、電磁場変動検出器２は物体に取り付ける。このようにすれば、物体が第１の人体に近づいてくるのを、第２の人体は、知覚によりモニターすることができる。これは、第１の人体の監視や、第１の人体の商品の関心度のモニターなどに応用することができる。
【００５８】
［利用例５］
励振器１、電磁場変動検出器２を同じ物体に取り付け、知覚装置３を第１の人体に取り付ける。このようにすれば、物体の周囲の変化を第１の人体は知覚することができる。これは、たとえば商品棚に取り付けることで商品の関心度の高さをモニターすることができ、マーケティングなどに応用することができる。
【００５９】
［利用例６］
励振器１を物体に取り付け、電磁場変動検出器２、知覚装置３を第１の人体に取り付ける。このようにすれば、第１の人体は、物体の存在を非接触で知覚することができる。これは、目の不自由な方に壁や階段などに接触する前にその存在を知覚させることができ、目の不自由な方の誘導に役立てることができる。
【００６０】
［利用例７］
励振器１を物体に取り付け、電磁場変動検出器２を第１の人体や、他の物体に取り付け、知覚装置３を第３者である第２の人体に取り付ける。このようにすれば、第２の人体は、第１の人体の動きや物体の周囲の変化を非接触で知覚することができる。これは、第１の人体の監視や、商品のモニターなどに応用することができる。
【００６１】
［利用例８］
励振器１および電磁場変動検出器２を車両の周囲に取り付け、知覚装置３を第１の人体であるドライバーに取り付ける。このようにすれば、車両の外周の環境変化をドライバーが知覚することができる。これは、安全に役立つのみならず、車両とドライバーの一体感を高め、ドライブをより楽しくする効果が期待できる。
【００６２】
次に、電磁場変動検出器２によって位相差の時間変化を取得できることを示すために行った実験例１〜３について説明する。
【００６３】
［実験例１］
実験例１では、電磁場変動検出器２として、ＰＬＬ回路２６Ａ、２６Ｂを省略した構成のもの（図５参照）を用いた。図６のように、励振器１は、車両３００の右側の側面３００ａの前方に取り付け、電磁場変動検出器２は励振器１を取り付けた側の車両３００側面３００ａの後方に取り付けた。励振器１の発振器１０の発振周波数は２．４ＧＨｚとした。また、電磁場変動検出器２のアンテナ２０Ａとアンテナ２０Ｂの間隔は１３０ｍｍとし、λ／２（λは発振器１０の発振波長）より長くした。これによりアンテナ２０Ａで受信する電気信号の位相と、アンテナ２０Ｂで受信する電気信号の位相との差を十分に大きくとれるので、ＰＬＬ回路２６Ａ、２６Ｂを省略することができる。また、ＰＬＬ回路２４の出力する電気信号の周波数は２．４４５ＧＨｚとし、乗算器２３Ａ、Ｂによって電気信号の周波数を４５ＭＨｚにダウンコンバートするようにした。
【００６４】
このような状態で、車両３００の側面３００ａから６ｍ離れた位置にいる人が、側面３００ａから２０ｃｍ離れた位置まで歩いて移動し、その後Ｕターンして離れた場合において、データロガーによって電磁場変動検出器２の出力を測定した。図７はその結果を示したグラフである。図７のように、人の接近、Ｕターン、離脱に対応して、電磁場変動検出器２の出力する位相差も変動していることがわかる。
【００６５】
また、図８は、図７に示した波形を拡大して示した図である。歩いて車両３００に近づいた場合では、位相差の時間変化、すなわち周波数はおよそ７Ｈｚであった。
【００６６】
［実験例２］
実験例１と同様に車両に人が接近、Ｕターン、離脱する動作を、歩いてではなく小走りで行い、電磁場変動検出器２の出力を測定した。図９はその出力波形を拡大して示した図である。小走りの場合、位相差の時間変化、すなわち周波数はおよそ１７〜２０Ｈｚであった。このように、歩いた場合と小走りの場合とで周波数に違いがあることがわかった。この実験例１、２の結果から、実施例１の知覚システムによれば、車両へ人が接近、離脱する様子を知覚することができることがわかり、人の接近、離脱する速度もおおよそ推定することができることがわかった。
【００６７】
［実験例３］
実験例１と同様に車両３００に励振器１および電磁場変動検出器２を取り付けた状態で、人が車両３００から１ｍ離れて車両３００の外周に沿って位置Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ａと回って一周した。位置Ａ〜Ｄは、図６に示す位置であり、位置Ａは車両３００の側面３００ａとは反対側の側面（車両３００の左側側面）の中央付近、位置Ｂは車両３００の前方中央付近、位置Ｃは車両３００の側面３００ａ（車両３００の右側側面）の中央付近、位置Ｄは車両３００の後方中央付近である。この場合の電磁場変動検出器２の出力波形を測定した結果を図１０に示す。図１０のように、側面３００ａを人が通った場合にのみ、位相差が大きく変動した。この結果から、側面３００ａ以外の３面にも励振器１および電磁場変動検出器２のセットを設置すれば、車両３００の外周全面において人の移動を知覚することができることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明の知覚システムは、たとえば、自動車に右側から人が近づいてきた場合に、ドライバーに右側から音が聞こえるようにして知らせるシステムなどに応用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１：励振器
２：電磁場変動検出器
３：知覚装置
１０：発振器
１１、２１Ａ、２１Ｂ、２５Ａ、２５Ｂ：バンドパスフィルタ
１３、２０Ａ、２０Ｂ：アンテナ
２２Ａ、２２Ｂ、２７Ａ、２７Ｂ：増幅器
２３Ａ、２３Ｂ、２８：乗算器
２４、２６Ａ、２６Ｂ：ＰＬＬ回路
２９：ローパスフィルタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体や人の周囲の状況変化を検出し、それを音、振動などに変換して人に知覚させる知覚システムである。
【背景技術】
【０００２】
人間の知覚には、感覚器官の特性などにより限界がある。そこで、人間の知覚を拡張させる技術が研究されている。非特許文献１には、ヘッドバンドに物体の距離情報を検知する赤外線センサを複数組み込み、赤外線センサの検出した信号を元にバイブレータを動かして人体に刺激を与える装置が示されている。この装置によると、赤外線センサを昆虫の触角のように動作させて、物体が皮膚に直接触れずとも触覚を得ることができ、たとえば視覚外である背後から物体が近づいてくる場合にも、その物体の接近を触覚として知覚することができる。つまり、人間の触覚を拡張させるような効果を非特許文献１の装置によって得ることができる。
【０００３】
他方、人体を励振させて、人体表面に電磁場を伝搬させる技術が知られている（特許文献１、非特許文献２、３）。特許文献１には、送信機と受信機をそれぞれ人体の近傍に配置して、人体表面に電磁場を伝搬させることにより、送信機と受信機とでデータ通信を行う人体通信システムが示されている。また、非特許文献３のように、送信機の送信電極近傍にグランド電極を配置することで、局所的に人体表面に電磁場を伝搬させることも可能であることが示されている。
【０００４】
また、人体以外の物体、たとえば車や家なども励振させることができることも知られている（特許文献２、３）。特許文献２には、車体を励振させて通信を行う通信システムが開示されており、特許文献３には、家を励振させて通信を行う通信システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４５８６６１８号
【特許文献２】特表２００５−５２８８４８
【特許文献３】特表２００４−５２３１７５
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Alvaro Cassinelli, Carson Reynolds, Masatoshi Ishikawa, "Augmenting spatial awareness with Haptic Radar," Wearable Computers, 2006, 10th IEEE International Symposium on, pp.61-64
【非特許文献２】根日屋英之，”人体通信の最新技術”，電波技術協会報ＦＯＲＮ−２０１０．１ Ｎｏ．２７２，ｐｐ．２４−２７
【非特許文献３】藤井勝之，伊藤公一，田島茂，”人体を伝送路として利用したウェアラブル送受信機の信号伝送状況の計算モデルに関する検討，”電子情報通信学会論文誌 Ｂ Ｖｏｌ．Ｊ８７−Ｂ Ｎｏ．９ ｐｐ．１３８３−１３９０，２００４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、非特許文献１のような赤外線レーダを用いた知覚システムでは、光の直進性によって以下のような問題が生じる。第１に、知覚範囲全体をカバーすることには多くのレーダが必要となり、システムの複雑化や高コスト化を招くこととなる。第２に、カーテンなどによって遮蔽されると、その先にある物体を知覚することができなくなってしまう。第３に、赤外線センサは物体からの赤外線の反射があるかないかを検出するため、デジタル的な間隔であり、アナログ的な感覚を伝えにくい。
【０００８】
また、特許文献１〜３のような物体や人体を励振させる技術を、非特許文献１のような人体の知覚を拡張させるシステムに応用することは今まで試みられたことはなかった。
【０００９】
そこで本発明は、物体や人体を励振させて人体に知覚させる新規な知覚システムを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の発明は、周囲の環境変化を人に知覚させる知覚システムにおいて、物体あるいは第１の人体を励振させ、その周囲に電磁場を伝搬させる励振器と、電磁場の変動を、離間して配置された２つのアンテナあるいは電極と、各アンテナあるいは各電極に接続する乗算器と、を有し、各アンテナあるいは各電極により受信した電気信号を第１乗算器により乗算することで、受信した２つの電気信号の位相差を測定する電磁場変動検出器と、位相差の時間変化を人の知覚に訴える現象に置き換えて、第１の人体あるいは他の第２人体に伝える知覚装置と、を備えることを特徴とする知覚システムである。
【００１１】
「アンテナあるいは電極」とあるのは、励振器から放射される電磁波を受信する場合にはアンテナ、電磁場の変動を直接とらえる場合には電極を用いる意味である。励振器と電磁場変動検出器との距離が励振器の発振波長よりも十分に遠い場合にはアンテナを用い、十分に近い場合には電極を用いるのがよい。
【００１２】
人の知覚に訴える現象とは、たとえば、視覚、聴覚、触覚、平衡感覚、などに訴える現象であり、視覚に訴える現象としては表示装置などによる表示、聴覚に訴える現象としては音、触覚に訴える現象としては圧力、風、振動、温度、または電気刺激などである。
【００１３】
位相差の時間変化はすなわち周波数であり、人の知覚に容易に訴えることができる周波数となるよう、電磁場変動検出器は位相差を拡大変換するなどしてもよい。たとえば下記第２〜５の発明のようにして、人の知覚に容易に訴えることができる周波数となるようにしてもよい。なお、人の知覚に容易に訴えることができる周波数は、１〜１０００Ｈｚである。
【００１４】
励振器が励振させる物体は、たとえば車両であり、第１の人体あるいは第２の人体は、たとえば車両の座席に座るドライバーである。
【００１５】
第２の発明は、第１の発明において、励振器の発振波長をλとして、２つのアンテナあるいは電極は、λ／２以下の間隔で配置されており、電磁場変動検出器は、各アンテナあるいは電極と、第１乗算器との間に、それぞれ電気信号の位相をＮ倍（Ｎは１より大きい実数）する第１のＰＬＬ回路をさらに有し、位相差のＮ倍を測定する、ことを特徴とする知覚システムである。
【００１６】
第３の発明は、第２の発明において、位相差のＮ倍の時間変化が、１〜１０００ＨｚとなるようにＮを設定することを特徴とする知覚システムである。
【００１７】
第４の発明は、第１の発明において、励振器の発振波長をλとして、２つのアンテナあるいは電極は、λ／２より大きい間隔で配置されており、電磁場変動検出器は、前記励振器の発振周波数とは異なる周波数の電気信号を出力する第２のＰＬＬ回路と、各アンテナあるいは電極からの電気信号と、第２のＰＬＬ回路からの電気信号とを乗算して、電気信号の周波数をより低い周波数に変換する２つの第２乗算器と、をさらに有する、ことを特徴とする知覚システムである。
【００１８】
第５の発明は、第１の発明において、電磁場変動検出器は、前記励振器の発振周波数とは異なる周波数の電気信号を出力する第１のＰＬＬ回路と、各アンテナあるいは電極からの電気信号と、第１のＰＬＬ回路からの電気信号とを乗算して、電気信号の周波数をより低い周波数に変換する２つの第２乗算器と、第２乗算器と第１乗算器との間に接続された、第２乗算器からの電気信号の位相をＮ倍（Ｎは１より大きい実数）する第２のＰＬＬ回路と、をさらに有する、ことを特徴とする知覚システムである。
【００１９】
第６の発明は、第１の発明から第５の発明において、知覚装置は、位相差の時間変化を表示、振動、音、圧力、風、または電気刺激に置き換えて、第１の人体または他の第２人体に伝える、ことを特徴とする知覚システムである。
【００２０】
第７の発明は、第１の発明から第６の発明において、電磁場変動検出器は、測定した位相差の情報を無線で送信する送信機を有し、知覚装置は、電磁場変動検出器からの位相差の情報を無線で受信する受信機を有する、ことを特徴とする知覚システムである。
【００２１】
第８の発明は、第１の発明から第７の発明において、励振器は、第１の人体に取り付けられ、その第１の人体を励振させるものであり、電磁場変動検出器のアンテナあるいは電極は、第１の人体の動きを検出したい箇所に取り付けられ、電磁場変動検出器は、第１の人体の動きを位相差として測定する、ことを特徴とする知覚システムである。
【００２２】
第９の発明は、第１の発明から第７の発明において、励振器は、第１の人体に取り付けられ、その第１の人体を励振させるものであり、電磁場変動検出器のアンテナあるいは電極は、物体に取り付けられ、電磁場変動検出器は、第１の人体と物体との接近を位相差として測定する、ことを特徴とする知覚システムである。
【００２３】
第１０の発明は、第１の発明から第７の発明において、励振器は、物体に取り付けられ、その物体を励振させるものであり、電磁場変動検出器のアンテナあるいは電極は、物体の励振器の取付箇所とは異なる箇所に取り付けられ、電磁場変動検出器は、励振器と電磁場変動検出器のアンテナあるいは電極との間にある物体近傍の領域の変動を位相差として測定する、ことを特徴とする知覚システムである。
【００２４】
第１１の発明は、第１の発明から第７の発明において、励振器は、物体に取り付けられ、その物体を励振させるものであり、電磁場変動検出器のアンテナあるいは電極は、第１の人体に取り付けられ、電磁場変動検出器は、第１の人体と物体との接近を位相差として測定する、ことを特徴とする知覚システムである。
【００２５】
第１２の発明は、第１の発明から第７の発明において、励振器、電磁場変動検出器のアンテナあるいは電極は、車両の外周に取り付けられ、電磁場変動検出器は、車両外周近傍の領域の変動を位相差として測定する、ことを特徴とする知覚システムである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は、励振器と電磁場変動検出器との間にマルチパスが存在する環境であることを利用している。励振器と電磁場変動検出器との間に人体や物体が存在すると、マルチパスの影響が変化し、電磁場変動検出器によって検出する電磁場の位相が変化する。本発明の電磁場変動検出器では、これを２つのアンテナあるいは電極によって位相差として検出し、知覚装置においてその位相差の変化を知覚に訴える現象に置き換えることで、人に励振器と電磁場変動検出器との間に何らかの環境変化があったことを知覚させている。このように、本発明は、いわば人の知覚を拡張させるようなシステムである。
【００２７】
本発明は、励振器を第１の人体に取り付け、電磁場変動検出器を第１の人体の指、手、足などに取り付けることで、それらの箇所に何かが接近すると知覚として感じることができる。非接触でこのような知覚を得ることができるため、たとえば安全システムなどへの応用が可能である。
【００２８】
また、本発明は、励振器を第１の人体に取り付け、電磁場変動検出器を第１の人体の指、手、足などに取り付け、第３者（第２の人体）の知覚へ訴えることで、第３者が第１の人体のどの箇所が動いたかをモニターすることができ、たとえばゲームや病人の監視などに役立てることができる。
【００２９】
また、本発明は、励振器を第１の人体に取り付け、電磁場変動検出器を物体に取り付けることで、第１の人体への物体の接近を非接触で知覚することができ、たとえば安全システムなどへの応用に役立てることができる。
【００３０】
また、本発明は、励振器を第１の人体に取り付け、電磁場変動検出器を物体に取り付け、第３者の知覚へ訴えることで、たとえば、第３者である第２の人体が、第１の人体への物体の接近をモニターすることができ、たとえば監視や物体への関心度のモニターに役立てることができる。また、励振器を物体に取り付け、電磁場変動検出器を第１の人体に取り付けた場合も同様に、物体への関心度のモニターに役立てることができる。
【００３１】
また、本発明は、励振器を物体に取り付け、電磁場変動検出器を同じ物体に取り付けることで、たとえばその物体の関心の高さをモニターすることができ、マーケティングなどに応用することができる。
【００３２】
また、本発明は、励振器を物体（たとえば階段や壁）に取り付け、電磁場変動検出器を第１の人体に取り付けることで、たとえば目の不自由な方に物体への接触前に物体の存在を知覚させることができ、目の不自由な方の誘導に応用することができる。
【００３３】
また、本発明は、車両の周囲に励振器、電磁場変動検出器を取り付けることで、たとえば車両の外周の環境変化を車両内のドライバーに知覚させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施例１の知覚システムの構成について示した図。
【図２】励振器１の構成に示した図。
【図３】電磁場変動検出器２の構成について示した図。
【図４】実施例１の知覚システムの他の構成について示した図。
【図５】実験例１で用いた他の電磁場変動検出器２の構成について示した図。
【図６】励振器１および電磁場変動検出器２の取付位置を示した図。
【図７】電磁場変動検出器２の出力波形を示した図。
【図８】電磁場変動検出器２の出力波形を拡大して示した図。
【図９】電磁場変動検出器２の出力波形を拡大して示した図。
【図１０】電磁場変動検出器２の出力波形を示した図。
【図１１】実施例１の知覚システムの他の構成について示した図。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００３６】
図１は、実施例１の知覚システムの構成について示した図である。実施例１の知覚システムは、励振器１と、電磁場変動検出器２と、知覚装置３と、を備えている。
【００３７】
図２は、励振器１の構成を示した図である。励振器１は、発振器１０と、バンドパスフィルタ１１を介して発振器１０に接続するアンテナ１３と、によって構成されている。バンドパスフィルタ１１は、発振器１０の発振する電気信号の周波数帯のみを透過させるものである。これらバンドパスフィルタ１１は必ずしも必要なものではないが、ノイズ等を除去して実施例１の知覚システムの知覚感度等を向上させるためにはこれらを設けることが望ましい。バンドパスフィルタ１１からの電気信号は、アンテナ１３より電磁波として空間に放射される。
【００３８】
励振器１は、人体に何らかの変化を知覚させたい場所近傍の物体や第１の人体に設置されている。発振器１０の発振周波数は、第１の人体や物体を励振して、人体表面や物体表面に電磁場を伝搬させることができる周波数であってもよい。ここでいう電磁場の伝搬は、電磁波として空間に放射されずに物体表面近傍にのみ伝搬している場合（準静電界が支配的なモード）である。ただし、準静電界が支配的なモードでの電磁場の伝搬を利用する場合には、アンテナ１３に替えて電極を用いる。人体表面に準静電界が支配的なモードで電磁場を伝搬させるためには、発振器の発振周波数は１〜１００ＭＨｚとすることが望ましい。
【００３９】
図３は、電磁場変動検出器２の構成について示した図である。電磁場変動検出器２は、励振器１のアンテナ１３から所定の距離離れた場所に位置し、かつ、互いに離間して設けられた２つのアンテナ２０Ａ、Ｂを有している。ただし、励振器１においてアンテナ１３に替えて電極を用いている場合にはアンテナ２０Ａ、Ｂに替えて２つの電極を用いる。この２つのアンテナ２０Ａ、Ｂによって、アンテナ１３からの電気信号を受信する。アンテナ２０Ａ、Ｂは、それぞれバンドパスフィルタ２１Ａ、Ｂ、増幅器２２Ａ、Ｂを介して乗算器２３Ａ、Ｂの入力側に接続されている。バンドパスフィルタ２１Ａ、Ｂは、発振器１０の発振周波数帯のみを透過するものであり、増幅器２２Ａ、Ｂは、それぞれバンドパスフィルタ２１Ａ、Ｂからの電気信号を増幅するものである。
【００４０】
また、乗算器２３Ａ、Ｂのもう一方の入力側にはＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ）回路２４が共通して接続されている。ＰＬＬ回路２４は、周波数が発振器１０の発振周波数に近い信号を生成するものである。この乗算器２３Ａ、Ｂにおいて、アンテナ２０Ａ、Ｂからの電気信号にＰＬＬ回路２４からの信号を乗ずることで、アンテナ２０Ａで受信した電気信号と、アンテナ２０Ｂで受信した電気信号との位相を比較しやすい中間周波数の電気信号へとダウンコンバートしている。乗算器２３Ａ、Ｂの出力側は、それぞれバンドパスフィルタ２５Ａ、Ｂ、ＰＬＬ回路２６Ａ、Ｂ、増幅器２７Ａ、Ｂを介して、乗算器２８の２つの入力側に接続されている。バンドパスフィルタ２５Ａ、Ｂは中間周波数帯の信号のみを透過させるものであり、また、ＰＬＬ回路２６Ａ、Ｂは、バンドパスフィルタ２５Ａ、Ｂからの電気信号の周波数をＮ倍（Ｎは１より大きい実数）して出力する。増幅器２７Ａ、ＢはＰＬＬ回路２６Ａ、Ｂからの電気信号を増幅させるものである。また、乗算器２８は、増幅器２７Ａ、Ｂからの電気信号を乗じて出力する。この乗算器２８から出力される電気信号は、アンテナ２０Ａで受信した電気信号と、アンテナ２０Ｂで受信した電気信号との位相差のＮ倍を反映したＤＣ値である。そして、乗算器２８の出力側は、ローパスフィルタ９を介して知覚装置３側に接続されている。
【００４１】
なお、乗算器２３Ａ、ＢとＰＬＬ回路２４とを用いたダウンコンバートは、必ずしも必要ではない。励振器１の発振器１０の発振周波数が低いものを用いる場合には、乗算器２３Ａ、Ｂ、ＰＬＬ回路２４を省略した構成（図１１参照）としてもよい。また、ＰＬＬ回路２６Ａ、２６Ｂもまた、必ずしも必要ではない。アンテナ２０Ａ、Ｂで受信する電気信号の位相差の変化が十分に大きいのであれば、ＰＬＬ回路２６Ａ、Ｂを省略した構成（図５参照）としてもよい。ただし、アンテナ２０Ａ、Ｂの間隔が発振器１０の発振波長をλとしてλ／２以下である場合には、アンテナ２０Ａ、Ｂで受信する電気信号の位相差が非常に小さくなってしまう場合があるため、その場合にはＰＬＬ回路２６Ａ、Ｂを設けて位相差を拡大するようにするとよい。
【００４２】
知覚装置３は、たとえば有線で電磁場変動検出器２に接続され、アンテナ２０Ａで受信した電気信号と、アンテナ２０Ｂで受信した電気信号との位相差のＮ倍を反映したＤＣ値を受信する。そして、そのＤＣ値の時間変化、すなわち周波数に基づいて、表示装置への表示、スピーカーからの音声出力、送風機からの送風、アクチュエータによる皮膚への振動、圧力の印加、電気刺激装置による電気刺激などによって、第１の人体あるいは第３者である第２の人体に知覚させる。
【００４３】
なお、図４のように、電磁場変動検出器２に送信機４、知覚装置３に受信機５を設けて、電磁場変動検出器２と知覚装置３とを無線で接続するようにしてもよい。無線通信の規格は任意であるが、たとえばブルートゥースなどを利用することができる。
【００４４】
次に、実施例１の知覚システムの動作について説明する。
【００４５】
まず、励振器１の発振器１０によって電気信号を生成し、バンドパスフィルタ１１を通すことでノイズ成分等を除去したのち、アンテナ１３より電磁波を放射させて空間に伝搬させる。
【００４６】
空間を伝搬する電磁波を、電磁場変動検出器２のアンテナ２０Ａ、２０Ｂによって受信する。アンテナ２０Ａ、Ｂは離間しているため、励振器１のアンテナ１３と、電磁場変動検出器２のアンテナ２０Ａ、Ｂとの相対的な距離に応じて、アンテナ２０Ａ、Ｂが受信する電気信号の位相は異なる。以下、説明の簡略化のため、電磁場変動検出器２のアンテナ２０Ａで受信する電気信号をｃｏｓ（ωｔ＋θＡ）、アンテナ２０Ｂで受信する電気信号をｃｏｓ（ωｔ＋θＢ）として考察する。ωは２πｆであり、ｆは発振器１０の発振周波数である。
【００４７】
アンテナ２０Ａで受信した電気信号ｃｏｓ（ωｔ＋θＡ）は、バンドパスフィルタ２１Ａによって発振器１０の周波数帯域のみが透過され、増幅器２２Ａによって信号が増幅される。また、アンテナ２０Ｂで受信した電気信号ｃｏｓ（ωｔ＋θＢ）は、バンドパスフィルタ２１Ｂによって発振器１０の周波数帯域のみが透過され、増幅器２２Ｂによって信号が増幅される。
【００４８】
増幅器２２Ａ、Ｂからの電気信号は、乗算器２３Ａ、Ｂにおいて、それぞれＰＬＬ回路２４からの電気信号と乗算される。ＰＬＬ回路２４からの電気信号をｓｉｎ（ωLOｔ＋θLO）とすれば、乗算器２３Ａからの出力は、ｓｉｎ（Δωｔ＋θＡ−θLO）の成分と、周波数がω＋ωLOの成分である。ここで、Δω＝ω−ωLOと置いた。この周波数がω＋ωLOの成分についてはバンドパスフィルタ２５Ａによってカットされる。同様に、乗算器２３Ｂからの出力は、ｓｉｎ（Δωｔ＋θＢ−θLO）の成分と、周波数がω＋ωLOの成分であり、周波数がω＋ωLOの成分はバンドパスフィルタ２５Ｂによってカットされる。
【００４９】
バンドパスフィルタ２５Ａからの電気信号は、ＰＬＬ回路２６Ａによって周波数、位相がＮ倍され、電気信号ｓｉｎ（Ｎ×（Δωｔ＋θＡ−θLO））が出力される。同様にバンドパスフィルタ２５Ｂからの電気信号は、ＰＬＬ回路２６Ｂによって周波数、位相がＮ倍され、電気信号ｓｉｎ（Ｎ×（Δωｔ＋θＢ−θLO））が出力される。
【００５０】
ＰＬＬ回路２６Ａ、２６Ｂからの電気信号は、増幅器２７Ａ、Ｂによってそれぞれ増幅されたのち、乗算器２８によって乗算される。乗算器２８からの出力は、ｃｏｓ（Ｎψ）の成分と、周波数が２ＮΔωの成分である。ここで、ψ＝θＡ−θＢとおいた。ψはアンテナ２０Ａで受信した電気信号とアンテナ２０Ｂで受信した電気信号との位相差である。このうち、周波数が２ＮΔωの成分はローパスフィルタ２９によりカットされるため、ｃｏｓ（Ｎψ）の成分のみが知覚装置３へと送出される。
【００５１】
知覚装置３は、ｃｏｓ（Ｎψ）からＮψを算出し、Ｎψの時間変化Ｎ＊ｄψ／ｄｔ、すなわち周波数を算出する。そして、その周波数に応じて、表示装置への表示、スピーカーからの音声出力、送風機からの送風、アクチュエータによる皮膚への振動、圧力の印加、電気刺激装置による電気刺激などによって、人体に知覚させる。ここで、Ｎψの時間変化は、励振器１と電磁場変動検出器２との間に形成されるマルチパス環境の変化に対応して生ずるものである。マルチパス環境の変化は、励振器１と電磁場変動検出器２との間の領域での人体や物体の接近、離脱などによって生ずる。したがって、実施例１の知覚システムによれば、励振器１と電磁場変動検出器２間の領域の環境変化を非接触で人体に知覚させることができる。
【００５２】
なお、人が感じる振動加速度の周波数範囲は０．１Ｈｚ〜５００Ｈｚと言われており、音については２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚが可聴範囲である。また、音の時間分解能は、最短で１ｍｓと言われており、音の聞き分けには１ｋＨｚ以下の変調とする必要がある。また、低周波治療器による電気刺激のパルス間隔は２０ｍｓ程度であり、５０Ｈｚ程度である。これらの知覚の事例を総合すると、Ｎψの時間変化である周波数は、１〜１０００Ｈｚの範囲であることが望ましい。この範囲であれば、電磁場変動検出器２からの出力を容易に知覚刺激へと変換することが可能である。また、Ｎψの時間変化である周波数が１〜１０００Ｈｚの範囲となるように、励振器１の発振器１０の発振周波数およびＰＬＬ回路２６Ａ、ＢのＮの値を設定することが望ましい。
【００５３】
以下に実施例１の知覚システムの利用態様を列挙する。
【００５４】
［利用例１］
励振器１および知覚装置３を第１の人体に取り付け、電磁場変動検出器２は第１の人体の動きを検出したい場所（たとえば指、手、腕、足など）に取り付ける。このようにすれば、第１の人体の動きを検出したい場所に何かが接近した場合に、非接触で第１の人体はその何かを知覚することができる。
【００５５】
［利用例２］
励振器１を第１の人体に取り付け、知覚装置３を第３者である第２の人体に取り付け、電磁場変動検出器２を第１の人体の動きを検出した居場所に取り付ける。このようにすれば、第２の人体は、第１の人体のどの箇所が動いたのかを知覚によりモニターすることができる。これはゲームや病人の監視などに利用することができる。
【００５６】
［利用例３］
励振器１および知覚装置３を第１の人体に取り付け、電磁場変動検出器２は物体に取り付ける。このようにすれば、物体が第１の人体に近づいてくるのを、第１の人体自身が非接触で知覚することができる。これは安全システムなどへの応用に役立てることができる。
【００５７】
［利用例４］
励振器１を第１の人体に取り付け、知覚装置３を第３者である第２の人体に取り付け、電磁場変動検出器２は物体に取り付ける。このようにすれば、物体が第１の人体に近づいてくるのを、第２の人体は、知覚によりモニターすることができる。これは、第１の人体の監視や、第１の人体の商品の関心度のモニターなどに応用することができる。
【００５８】
［利用例５］
励振器１、電磁場変動検出器２を同じ物体に取り付け、知覚装置３を第１の人体に取り付ける。このようにすれば、物体の周囲の変化を第１の人体は知覚することができる。これは、たとえば商品棚に取り付けることで商品の関心度の高さをモニターすることができ、マーケティングなどに応用することができる。
【００５９】
［利用例６］
励振器１を物体に取り付け、電磁場変動検出器２、知覚装置３を第１の人体に取り付ける。このようにすれば、第１の人体は、物体の存在を非接触で知覚することができる。これは、目の不自由な方に壁や階段などに接触する前にその存在を知覚させることができ、目の不自由な方の誘導に役立てることができる。
【００６０】
［利用例７］
励振器１を物体に取り付け、電磁場変動検出器２を第１の人体や、他の物体に取り付け、知覚装置３を第３者である第２の人体に取り付ける。このようにすれば、第２の人体は、第１の人体の動きや物体の周囲の変化を非接触で知覚することができる。これは、第１の人体の監視や、商品のモニターなどに応用することができる。
【００６１】
［利用例８］
励振器１および電磁場変動検出器２を車両の周囲に取り付け、知覚装置３を第１の人体であるドライバーに取り付ける。このようにすれば、車両の外周の環境変化をドライバーが知覚することができる。これは、安全に役立つのみならず、車両とドライバーの一体感を高め、ドライブをより楽しくする効果が期待できる。
【００６２】
次に、電磁場変動検出器２によって位相差の時間変化を取得できることを示すために行った実験例１〜３について説明する。
【００６３】
［実験例１］
実験例１では、電磁場変動検出器２として、ＰＬＬ回路２６Ａ、２６Ｂを省略した構成のもの（図５参照）を用いた。図６のように、励振器１は、車両３００の右側の側面３００ａの前方に取り付け、電磁場変動検出器２は励振器１を取り付けた側の車両３００側面３００ａの後方に取り付けた。励振器１の発振器１０の発振周波数は２．４ＧＨｚとした。また、電磁場変動検出器２のアンテナ２０Ａとアンテナ２０Ｂの間隔は１３０ｍｍとし、λ／２（λは発振器１０の発振波長）より長くした。これによりアンテナ２０Ａで受信する電気信号の位相と、アンテナ２０Ｂで受信する電気信号の位相との差を十分に大きくとれるので、ＰＬＬ回路２６Ａ、２６Ｂを省略することができる。また、ＰＬＬ回路２４の出力する電気信号の周波数は２．４４５ＧＨｚとし、乗算器２３Ａ、Ｂによって電気信号の周波数を４５ＭＨｚにダウンコンバートするようにした。
【００６４】
このような状態で、車両３００の側面３００ａから６ｍ離れた位置にいる人が、側面３００ａから２０ｃｍ離れた位置まで歩いて移動し、その後Ｕターンして離れた場合において、データロガーによって電磁場変動検出器２の出力を測定した。図７はその結果を示したグラフである。図７のように、人の接近、Ｕターン、離脱に対応して、電磁場変動検出器２の出力する位相差も変動していることがわかる。
【００６５】
また、図８は、図７に示した波形を拡大して示した図である。歩いて車両３００に近づいた場合では、位相差の時間変化、すなわち周波数はおよそ７Ｈｚであった。
【００６６】
［実験例２］
実験例１と同様に車両に人が接近、Ｕターン、離脱する動作を、歩いてではなく小走りで行い、電磁場変動検出器２の出力を測定した。図９はその出力波形を拡大して示した図である。小走りの場合、位相差の時間変化、すなわち周波数はおよそ１７〜２０Ｈｚであった。このように、歩いた場合と小走りの場合とで周波数に違いがあることがわかった。この実験例１、２の結果から、実施例１の知覚システムによれば、車両へ人が接近、離脱する様子を知覚することができることがわかり、人の接近、離脱する速度もおおよそ推定することができることがわかった。
【００６７】
［実験例３］
実験例１と同様に車両３００に励振器１および電磁場変動検出器２を取り付けた状態で、人が車両３００から１ｍ離れて車両３００の外周に沿って位置Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ａと回って一周した。位置Ａ〜Ｄは、図６に示す位置であり、位置Ａは車両３００の側面３００ａとは反対側の側面（車両３００の左側側面）の中央付近、位置Ｂは車両３００の前方中央付近、位置Ｃは車両３００の側面３００ａ（車両３００の右側側面）の中央付近、位置Ｄは車両３００の後方中央付近である。この場合の電磁場変動検出器２の出力波形を測定した結果を図１０に示す。図１０のように、側面３００ａを人が通った場合にのみ、位相差が大きく変動した。この結果から、側面３００ａ以外の３面にも励振器１および電磁場変動検出器２のセットを設置すれば、車両３００の外周全面において人の移動を知覚することができることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明の知覚システムは、たとえば、自動車に右側から人が近づいてきた場合に、ドライバーに右側から音が聞こえるようにして知らせるシステムなどに応用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１：励振器
２：電磁場変動検出器
３：知覚装置
１０：発振器
１１、２１Ａ、２１Ｂ、２５Ａ、２５Ｂ：バンドパスフィルタ
１３、２０Ａ、２０Ｂ：アンテナ
２２Ａ、２２Ｂ、２７Ａ、２７Ｂ：増幅器
２３Ａ、２３Ｂ、２８：乗算器
２４、２６Ａ、２６Ｂ：ＰＬＬ回路
２９：ローパスフィルタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲の環境変化を人に知覚させる知覚システムにおいて、
物体あるいは第１の人体を励振させ、その周囲に電磁場を伝搬させる励振器と、
前記電磁場の変動を、離間して配置された２つのアンテナあるいは電極と、各前記アンテナあるいは各前記電極に接続する乗算器と、を有し、各前記アンテナあるいは各前記電極により受信した電気信号を前記第１乗算器により乗算することで、受信した２つの電気信号の位相差を測定する電磁場変動検出器と、
前記位相差の時間変化を人の知覚に訴える現象に置き換えて、前記第１の人体あるいは他の第２の人体に伝える知覚装置と、
を備えることを特徴とする知覚システム。
【請求項２】
前記励振器の発振波長をλとして、２つの前記アンテナあるいは前記電極は、λ／２以下の間隔で配置されており、
前記電磁場変動検出器は、各前記アンテナあるいは前記電極と、前記第１乗算器との間に、それぞれ電気信号の位相をＮ倍（Ｎは１より大きい実数）する第１のＰＬＬ回路をさらに有し、前記位相差のＮ倍を測定する、ことを特徴とする請求項１に記載の知覚システム。
【請求項３】
前記位相差のＮ倍の時間変化が、１〜１０００ＨｚとなるようにＮを設定することを特徴とする請求項２に記載の知覚システム。
【請求項４】
前記励振器の発振波長をλとして、２つの前記アンテナあるいは前記電極は、λ／２より大きい間隔で配置されており、
前記電磁場変動検出器は、
前記励振器の発振周波数とは異なる周波数の電気信号を出力する第２のＰＬＬ回路と、
各前記アンテナあるいは前記電極からの電気信号と、前記第２のＰＬＬ回路からの電気信号とを乗算して、前記電気信号の周波数をより低い周波数に変換する２つの第２乗算器と、
をさらに有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の知覚システム。
【請求項５】
前記電磁場変動検出器は、
前記励振器の発振周波数とは異なる周波数の電気信号を出力する第１のＰＬＬ回路と、
各前記アンテナあるいは前記電極からの電気信号と、前記第１のＰＬＬ回路からの電気信号とを乗算して、前記電気信号の周波数をより低い周波数に変換する２つの第２乗算器と、
前記第２乗算器と前記第１乗算器との間に接続された、前記第２乗算器からの電気信号の位相をＮ倍（Ｎは１より大きい実数）する第２のＰＬＬ回路と、
をさらに有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の知覚システム。
【請求項６】
前記知覚装置は、前記位相差の時間変化を表示、振動、音、圧力、風、または電気刺激に置き換えて、前記第１の人体または他の前記第２人体に伝える、ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の知覚システム。
【請求項７】
前記電磁場変動検出器は、測定した前記位相差の情報を無線で送信する送信機を有し、
前記知覚装置は、前記電磁場変動検出器からの前記位相差の情報を無線で受信する受信機を有する、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の知覚システム。
【請求項８】
前記励振器は、前記第１の人体に取り付けられ、その前記第１の人体を励振させるものであり、
前記電磁場変動検出器の前記アンテナあるいは前記電極は、前記第１の人体の動きを検出したい箇所に取り付けられ、
前記電磁場変動検出器は、前記第１の人体の動きを前記位相差として測定する、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の知覚システム。
【請求項９】
前記励振器は、前記第１の人体に取り付けられ、その前記第１の人体を励振させるものであり、
前記電磁場変動検出器の前記アンテナあるいは前記電極は、前記物体に取り付けられ、
前記電磁場変動検出器は、前記第１の人体と前記物体との接近を前記位相差として測定する、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の知覚システム。
【請求項１０】
前記励振器は、前記物体に取り付けられ、その前記物体を励振させるものであり、
前記電磁場変動検出器の前記アンテナあるいは前記電極は、前記物体の前記励振器の取付箇所とは異なる箇所に取り付けられ、
前記電磁場変動検出器は、前記励振器と前記電磁場変動検出器の前記アンテナあるいは前記電極との間にある前記物体近傍の領域の変動を前記位相差として測定する、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の知覚システム。
【請求項１１】
前記励振器は、前記物体に取り付けられ、その前記物体を励振させるものであり、
前記電磁場変動検出器の前記アンテナあるいは前記電極は、前記第１の人体に取り付けられ、
前記電磁場変動検出器は、前記第１の人体と前記物体との接近を前記位相差として測定する、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の知覚システム。
【請求項１２】
前記励振器、前記電磁場変動検出器の前記アンテナあるいは前記電極は、車両の外周に取り付けられ、
前記電磁場変動検出器は、前記車両外周近傍の領域の変動を前記位相差として測定する、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の知覚システム。
【請求項１】
周囲の環境変化を人に知覚させる知覚システムにおいて、
物体あるいは第１の人体を励振させ、その周囲に電磁場を伝搬させる励振器と、
前記電磁場の変動を、離間して配置された２つのアンテナあるいは電極と、各前記アンテナあるいは各前記電極に接続する乗算器と、を有し、各前記アンテナあるいは各前記電極により受信した電気信号を前記第１乗算器により乗算することで、受信した２つの電気信号の位相差を測定する電磁場変動検出器と、
前記位相差の時間変化を人の知覚に訴える現象に置き換えて、前記第１の人体あるいは他の第２の人体に伝える知覚装置と、
を備えることを特徴とする知覚システム。
【請求項２】
前記励振器の発振波長をλとして、２つの前記アンテナあるいは前記電極は、λ／２以下の間隔で配置されており、
前記電磁場変動検出器は、各前記アンテナあるいは前記電極と、前記第１乗算器との間に、それぞれ電気信号の位相をＮ倍（Ｎは１より大きい実数）する第１のＰＬＬ回路をさらに有し、前記位相差のＮ倍を測定する、ことを特徴とする請求項１に記載の知覚システム。
【請求項３】
前記位相差のＮ倍の時間変化が、１〜１０００ＨｚとなるようにＮを設定することを特徴とする請求項２に記載の知覚システム。
【請求項４】
前記励振器の発振波長をλとして、２つの前記アンテナあるいは前記電極は、λ／２より大きい間隔で配置されており、
前記電磁場変動検出器は、
前記励振器の発振周波数とは異なる周波数の電気信号を出力する第２のＰＬＬ回路と、
各前記アンテナあるいは前記電極からの電気信号と、前記第２のＰＬＬ回路からの電気信号とを乗算して、前記電気信号の周波数をより低い周波数に変換する２つの第２乗算器と、
をさらに有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の知覚システム。
【請求項５】
前記電磁場変動検出器は、
前記励振器の発振周波数とは異なる周波数の電気信号を出力する第１のＰＬＬ回路と、
各前記アンテナあるいは前記電極からの電気信号と、前記第１のＰＬＬ回路からの電気信号とを乗算して、前記電気信号の周波数をより低い周波数に変換する２つの第２乗算器と、
前記第２乗算器と前記第１乗算器との間に接続された、前記第２乗算器からの電気信号の位相をＮ倍（Ｎは１より大きい実数）する第２のＰＬＬ回路と、
をさらに有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の知覚システム。
【請求項６】
前記知覚装置は、前記位相差の時間変化を表示、振動、音、圧力、風、または電気刺激に置き換えて、前記第１の人体または他の前記第２人体に伝える、ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の知覚システム。
【請求項７】
前記電磁場変動検出器は、測定した前記位相差の情報を無線で送信する送信機を有し、
前記知覚装置は、前記電磁場変動検出器からの前記位相差の情報を無線で受信する受信機を有する、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の知覚システム。
【請求項８】
前記励振器は、前記第１の人体に取り付けられ、その前記第１の人体を励振させるものであり、
前記電磁場変動検出器の前記アンテナあるいは前記電極は、前記第１の人体の動きを検出したい箇所に取り付けられ、
前記電磁場変動検出器は、前記第１の人体の動きを前記位相差として測定する、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の知覚システム。
【請求項９】
前記励振器は、前記第１の人体に取り付けられ、その前記第１の人体を励振させるものであり、
前記電磁場変動検出器の前記アンテナあるいは前記電極は、前記物体に取り付けられ、
前記電磁場変動検出器は、前記第１の人体と前記物体との接近を前記位相差として測定する、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の知覚システム。
【請求項１０】
前記励振器は、前記物体に取り付けられ、その前記物体を励振させるものであり、
前記電磁場変動検出器の前記アンテナあるいは前記電極は、前記物体の前記励振器の取付箇所とは異なる箇所に取り付けられ、
前記電磁場変動検出器は、前記励振器と前記電磁場変動検出器の前記アンテナあるいは前記電極との間にある前記物体近傍の領域の変動を前記位相差として測定する、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の知覚システム。
【請求項１１】
前記励振器は、前記物体に取り付けられ、その前記物体を励振させるものであり、
前記電磁場変動検出器の前記アンテナあるいは前記電極は、前記第１の人体に取り付けられ、
前記電磁場変動検出器は、前記第１の人体と前記物体との接近を前記位相差として測定する、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の知覚システム。
【請求項１２】
前記励振器、前記電磁場変動検出器の前記アンテナあるいは前記電極は、車両の外周に取り付けられ、
前記電磁場変動検出器は、前記車両外周近傍の領域の変動を前記位相差として測定する、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の知覚システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−４６１５６（Ｐ２０１３−４６１５６Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８１６６６（Ｐ２０１１−１８１６６６）
【出願日】平成２３年８月２３日（２０１１．８．２３）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２３日（２０１１．８．２３）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
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