(57)【要約】      （修正有）【課題】薄くてフレキシブルでありながらも低い電圧で駆動可能であるため様々な機器に適用可能であり、単なる振動から、より感性的で複雑な情報を効率よく伝達できるフレキシブル触覚アクチュエーターを提供する。【解決手段】フレキシブル触覚アクチュエーター１０は、外部磁場に反応して分極可能な磁性粒子１１２及び磁性粒子１１２を含有するマトリックスレイヤ１１１を含み、曲げ可能な触覚伝達部１１と、触覚伝達部の下方に位置し、触覚伝達部に磁場を発生させる磁場生成部１３と、少なくとも一部が磁場生成部の上面に面接触し、触覚伝達部の上面及び下面のいずれか一面と面接触するよう固定される膜状の弾性部材１２と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部磁場に反応して分極可能な磁性粒子及び前記磁性粒子を含有するマトリックスレイヤを含み、曲げ可能な触覚伝達部と、
前記触覚伝達部の下方に位置し、前記触覚伝達部に磁場を発生させる磁場生成部と、
少なくとも一部が前記磁場生成部の上面に面接触し、前記触覚伝達部の上面及び下面のいずれか一面と面接触するよう固定される膜状の弾性部材と、
を含み、
前記触覚伝達部は、
少なくとも一部が前記磁場生成部から上方に離隔して設けられ、離隔された高さは０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下であり、
前記弾性部材の弾性係数は、前記触覚伝達部の弾性係数よりも小さい、フレキシブル触覚アクチュエーター。
【請求項２】
前記弾性部材の両端部はそれぞれ内側又は外側に折り曲げられ、前記折り曲げられた両端部は前記磁場生成部の上面に付着され、
前記触覚伝達部は、前記弾性部材の上面に固定される、請求項１に記載のフレキシブル触覚アクチュエーター。
【請求項３】
前記触覚伝達部は、前記弾性部材の下面に固定される、請求項１に記載のフレキシブル触覚アクチュエーター。
【請求項４】
外部磁場に反応して分極可能な磁性粒子及び前記磁性粒子を含有するマトリックスレイヤを含み、曲げ可能な触覚伝達部と、
前記触覚伝達部の下方に位置し、前記触覚伝達部に磁場を発生させる磁場生成部と、
前記磁場生成部の上側に位置し、上側が開放された形状を有する弾性部材と、
前記弾性部材の上側をカバーするよう前記弾性部材に連結されるポリマーカバーと、
を含み、
前記触覚伝達部の上面は、前記ポリマーカバーの下面に面接触するよう固定され、
前記触覚伝達部は、
少なくとも一部が前記磁場生成部から上方に離隔して設けられ、離隔された高さは０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下であり、
前記弾性部材の弾性係数は、前記触覚伝達部の弾性係数よりも小さい、フレキシブル触覚アクチュエーター。
【請求項５】
前記ポリマーカバーは、前記弾性部材の厚さよりも薄く、前記弾性部材の材質よりも柔軟である、請求項４に記載のフレキシブル触覚アクチュエーター。
【請求項６】
前記触覚伝達部は磁気粘弾性エラストマである、請求項１に記載のフレキシブル触覚アクチュエーター。
【請求項７】
前記磁場生成部は、曲げ可能な柔軟な素材から形成される、請求項１に記載のフレキシブル触覚アクチュエーター。
【請求項８】
前記磁場生成部は、
絶縁フィルムと、
前記絶縁フィルムの両面のいずれか一面に印刷され、円形、楕円形、又は多角形の形状に複数回巻かれた形状を有する第１磁場生成回路を含む、請求項１に記載のフレキシブル触覚アクチュエーター。
【請求項９】
前記磁場生成部は、前記絶縁フィルムの両面のうち他面に印刷され、円形、楕円形又は多角形の形状に複数回巻かれた形状を有する第２磁場生成回路をさらに含む、請求項８に記載のフレキシブル触覚アクチュエーター。
【請求項１０】
前記磁場生成部は、
接着剤で接着される複数の軟性回路基板を含み、
前記複数の軟性回路基板は、それぞれ磁場を生成するための磁場生成回路を含む、請求項１に記載のフレキシブル触覚アクチュエーター。
【請求項１１】
前記マトリックスレイヤの引張強度は０．０２Ｎ／ｍｍ＾２以上８．８５Ｎ／ｍｍ＾２以下であり、
前記マトリックスレイヤの延伸率は６５％以上７００％以下である、請求項１に記載のフレキシブル触覚アクチュエーター。
【請求項１２】
前記弾性部材は、０．５ＧＰａ以上６．１ＧＰａ以下のヤング率を有するポリマーで形成される、請求項１に記載のフレキシブル触覚アクチュエーター。
【請求項１３】
前記触覚伝達部は、前記触覚伝達部の体積対比前記磁性粒子の含有量が４ｖｏｌ％以上６０ｖｏｌ％以下である、請求項１に記載のフレキシブル触覚アクチュエーター。
【請求項１４】
前記弾性部材は、ポリエチレンテレフタレート及びポリイミド素材のいずれか１つ以上の素材を含んで形成される、請求項１に記載のフレキシブル触覚アクチュエーター。
【請求項１５】
予め備えられた枠組みにマトリックス素材を投入するマトリックス素材の投入ステップと、
前記マトリックス素材に磁性粒子を投入する磁性粒子の投入ステップと、
前記マトリックス素材及び磁性粒子を均等に混ぜるように混合するステップと、
前記マトリックス素材に硬化剤を投入する硬化剤の投入ステップと、
触覚伝達部の上下方向に磁場を印加する磁場の印加ステップと、
弾性部材の少なくとも一部が前記触覚伝達部の上面及び下面のいずれか一面と面接触するよう付着させる弾性部材の付着ステップと、
前記弾性部材の少なくとも一部を磁場生成部の上面に面接触するよう付着させる磁場生成部の付着ステップと、
を含む、フレキシブル触覚アクチュエーターの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
以下の説明は、フレキシブル触覚アクチュエーターに関する。
【背景技術】
【０００２】
ハプティクスは触感に関する技術であって、具体的に、電子機器のユーザにキーボード、マウス、ジョイステック、及びタッチスクリーンなどにより触覚及び力、運動感などを感じるようにする技術のことをいう。従来は、電子機器と人が情報をやり取りするとき視覚又は聴覚的な手段が主であったが、近年、より具体的に実感できる情報伝達のために触覚技術が注目を浴びている。
【０００３】
一般的に、触覚技術のための触覚提供装置として、慣性型アクチュエーター（Ｉｎｅｒｔｉａｌ  ａｃｔｕａｔｏｒ）、圧電型アクチュエーター（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ａｃｔｕａｔｏｒ）、電気活性ポリマーアクチュエーター（Ｅｌｅｃｔｒｏ−ａｃｔｉｖｅ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ａｃｔｕａｔｏｒ：ＥＡＰ）などが用いられる。
【０００４】
慣性型アクチュエーターには、磁気回路に接続された重量体によって発生する偏心力で振動する偏心モータ（Ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ  ｒｏｔａｔｉｏｎ  ｍｏｔｏｒ：ＥＲＭ）、弾性ばねと磁気回路に接続された重量体によって発生する共振周波数を用いて振動の強度を最大化させる線形共振アクチュエーター（Ｌｉｎｅａｒ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ａｃｔｕａｔｏｒ：ＬＲＡ）が挙げられ得る。
【０００５】
従来技術である触覚提供装置のうち、線形共振アクチュエーターについて大韓民国登録特許公報第１０−１４６１２７４号（名称：線形振動モータ）、大韓民国公開特許公報第１０−２０１６−００２１１６０号（名称：弾性部材及びこれを備える線形振動モータ）が挙げられる。しかし、このようなアクチュエーターは、体積が極めて大きくて特定の空間制限を満たすことが困難である。
【０００６】
圧電型アクチュエーターは、電場によって瞬間的に外形が変わる圧電素子を中心に、弾性体などを用いてバー（Ｂａｒ）やディスク（Ｄｉｓｋ）状に駆動する素子であり、従来技術では、大韓民国登録特許公報第１０−１０７５２６３号（名称：セルロース紙の作動器フィルムを用いたハプティクスアクチュエーター）及び米国公開特許公報第ＵＳ２０１４／０１４５５５５号（名称：THIN-FILM  PIEZOELECTRIC  ELEMENT、THIN-FILM  PIEZOELECTRIC  ACTUATOR、THIN-FILM  PIEZOELECTRIC  SENSOR、HARD  DISK  DRIVE、AND  INKJET  PRINTER  APPARATUS）が挙げられ得る。しかし、この技術は、触覚応用に適した効果を提供するために通常、数百ボルトの電圧を必要とし、曲げにおいて壊れやすいため、実施者に十分な耐久寿命を提供できないという限界がある。
【０００７】
電気活性ポリマーアクチュエーターは、外部電力によって特定のメカニズムを有する高分子バックボーンの官能基によって外形が変わることを主な原理とし、電気活性ポリマーフィルムを質量体に付けて繰り返された動きを提供して駆動する素子であって、従来技術では米国特許公開公報第ＵＳ２０１３／０３３５３５４号（名称：ULTRA-THIN  INERTIAL  ACTUATOR）及び米国特許公開公報第ＵＳ２０１４／０８１８７９号（名称：SYSTEM  INCLUDING  ELECTROMECHANICAL  POLYMER  SENSORS  AND  ACTUATORS）が挙げられる。この技術は、外部酸化に対して耐久性の問題があり、触覚応用のために数百ボルトの電圧を必要とする短所がある。
【０００８】
その他に、前記触覚提供装置の他にも形状記憶合金を用いてフレキシブルでありながらも触覚応用の可能な技術が米国特許公開公報第ＵＳ２０１１／０１７３９７０号（名称：FLEXIBLE  ACTUATOR  BASED  ON  SHAPE  MEMORY  ALLOY  SHEET）に開示されている。しかし、前記先行技術は、高い温度を必要とすることや、クラック発生の可能性がある短所があり、長期間安定的に駆動することが困難である。
【０００９】
したがって、薄くてフレキシブルでありながらも低い電圧で駆動可能であるため様々な機器に適用可能であり、単なる振動から、より感性的で複雑な情報を効率よく伝達できる触覚伝達構造に対する研究が求められる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
一実施形態の目的は、薄くて体積が小さく、フレキシブルであるため様々な機器に適用可能なフレキシブル触覚アクチュエーターを提供することを目的とする。
【００１１】
また、電子機器の全体又は局所な触感を提供し、磁場生成部の強度又は周波数を制御し、振動の他にも「タッピング」のような触感をユーザに伝達できるフレキシブル触覚アクチュエーターを提供することを目的とする。
【００１２】
また、ＩＴ分野のＶＲ手袋、ゲームコントローラ、スマート衣類など、機器の内部に装着されるだけではなく、外部に装着されてユーザの皮膚を直接打撃して局所触感及びリアルタイムに触覚伝達できるフレキシブル触覚アクチュエーターを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーターは、外部磁場に反応して分極可能な磁性粒子及び前記磁性粒子を含有するマトリックスレイヤを含み、曲げ可能な触覚伝達部と、前記触覚伝達部の下方に位置し、前記触覚伝達部に磁場を発生させる磁場生成部と、少なくとも一部が前記磁場生成部の上面に面接触し、前記触覚伝達部の上面及び下面のいずれか一面と面接触するよう固定される膜状の弾性部材とを含む。
【００１４】
前記弾性部材の弾性係数は、前記触覚伝達部の弾性係数よりも小さくてもよい。
【００１５】
前記弾性部材の両端部はそれぞれ内側又は外側に折り曲げられ、前記折り曲げられた両端部は前記磁場生成部の上面に付着され、前記触覚伝達部は、前記弾性部材の上面に固定され得る。
【００１６】
前記触覚伝達部は、前記弾性部材の下面に固定され得る。
【００１７】
一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーターは、外部磁場に反応して分極可能な磁性粒子及び前記磁性粒子を含有するマトリックスレイヤを含み、曲げ可能な触覚伝達部と、前記触覚伝達部の下方に位置し、前記触覚伝達部に磁場を発生させる磁場生成部と、前記磁場生成部の上側に位置し、上側が開放された形状を有する弾性部材と、前記弾性部材の上側をカバーするよう前記弾性部材に連結されるポリマーカバーとを含み、前記触覚伝達部の上面は、前記ポリマーカバーの下面に面接触するよう固定され得る。
【００１８】
前記ポリマーカバーは、前記弾性部材の厚さよりも薄く、前記弾性部材の材質よりも柔軟であり得る。
【００１９】
前記触覚伝達部は磁気粘弾性エラストマであり得る。
【００２０】
前記磁場生成部は、曲げ可能な柔軟な素材から形成され得る。
【００２１】
前記磁場生成部は、絶縁フィルムと、前記絶縁フィルムの両面のいずれか一面に印刷され、円形、楕円形、又は多角形の形状に複数回巻かれた形状を有する第１磁場生成回路を含み得る。
【００２２】
前記磁場生成部は、前記絶縁フィルムの両面のうち他面に印刷され、円形、楕円形又は多角形の形状に複数回巻かれた形状を有する第２磁場生成回路をさらに含み得る。
【００２３】
前記磁場生成部は、接着剤で接着される複数の軟性回路基板を含み、前記複数の軟性回路基板は、それぞれ磁場を生成するための磁場生成回路を含み得る。
【００２４】
前記触覚伝達部は、少なくとも一部が前記磁場生成部から上方に離隔して設けられ、離隔した高さは０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下であり得る。
【００２５】
前記マトリックスレイヤの引張強度は０．０２Ｎ／ｍｍ＾２以上８．８５Ｎ／ｍｍ＾２以下であり、前記マトリックスレイヤの延伸率は６５％以上７００％以下であり得る。
【００２６】
前記弾性部材は、０．５ＧＰａ以上６．１ＧＰａ以下のヤング率を有し得る。
【００２７】
前記触覚伝達部は、前記触覚伝達部の体積対比前記磁性粒子の含有量が４ｖｏｌ％以上６０ｖｏｌ％以下であり得る。
【００２８】
前記弾性部材は、ポリエチレンテレフタレート及びポリイミド素材のいずれか１つ以上の素材を含んで形成され得る。
【００２９】
一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーターの製造方法は、予め備えられた枠組みにマトリックス素材を投入するマトリックス素材の投入ステップと、前記マトリックス素材に磁性粒子を投入する磁性粒子の投入ステップと、前記マトリックス素材及び磁性粒子を均等に混ぜるように混合するステップと、前記マトリックス素材に硬化剤を投入する硬化剤の投入ステップと、触覚伝達部の上下方向に磁場を印加する磁場の印加ステップと、弾性部材の少なくとも一部が前記触覚伝達部の上面及び下面のいずれか一面と面接触するよう付着させる弾性部材の付着ステップと、前記弾性部材の少なくとも一部を磁場生成部の上面に面接触するよう付着させる磁場生成部の付着ステップとを含む。
【発明の効果】
【００３０】
一実施形態によると、ユーザに様々な触覚を提供できるフレキシブル触覚アクチュエーターを提供することができる。
【００３１】
一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーターによると、薄くて体積が小さく、曲がることができるため様々な機器に適用可能である。
【００３２】
一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーターによると、弾性部材が触覚伝達部と連結されることで、駆動の際に触覚伝達部の運動を増幅させることができ、上下運動の空間を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーターの断面図である。
【図２】一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーターの断面図である。
【図３】一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーターの断面図である。
【図４】一実施形態に係る磁場生成部の形状を示す図である。
【図５】磁場生成部の様々な実施形態を示す図である。
【図６】軟性回路基板の層数による磁場の強度を示すグラフである。
【図７】一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーターが第１形状又は第２形状にある時の形状を示す図である。
【図８】一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーターが第１形状又は第２形状にある時の形状を示す図である。
【図９】一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーターが第１形状又は第２形状にある時の形状を示す図である。
【図１０】一実施形態に係る弾性部材の高さに応じて触覚伝達部で発生する振動力の強度を示すグラフである。
【図１１】一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーターに印加される電流量に応じて触覚伝達部で発生する振動力の強度を示すグラフである。
【図１２】一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーターに印加される駆動電力の周波数に応じて発生する振動力の強度を示すグラフである。
【図１３】一実施形態に係る弾性部材の種類によって触覚伝達部で発生する振動力の強度を示すグラフである。
【図１４】一実施形態に係る触覚伝達部の厚さによる触覚伝達部で発生する振動力の強度を示すグラフである。
【図１５】一実施形態に係る触覚伝達部の磁性粒子の含有量による触覚伝達部で発生する振動力の強度を示すグラフである。
【図１６】一実施形態に係る触覚伝達部の磁性粒子含有量による触覚伝達部の引張強度を示すグラフである。
【図１７】一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーター製造方法を示すフローチャートである。
【図１８】一実施形態に係る磁場の印加ステップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、実施形態を例示的な図面によって詳細に説明する。各図面の構成要素に参照符号を付加することにおいて、同じ構成要素に対して、たとえ他の図面上に表示されていても、可能な限り同じ符号にすることを留意しなければならない。また、実施形態の説明において、関連する公知構成又は機能に対する具体的な説明が実施形態に対する理解を妨害するものと判断される場合は、その詳細な説明は省略する。
【００３５】
また、実施形態の構成要素を説明することにおいて、第１、第２、Ａ、Ｂ、（ａ）、（ｂ）などの用語を使用してもよい。このような用語は、その構成要素を他の構成要素と区別するだけのものであり、その用語によって当該の構成要素の本質や順序などが限定されることはない。いずれかの構成要素が他の構成要素に「連結」、「結合」、又は「接続」されと記載された場合、その構成要素はその他の構成要素に直接的に「連結」、「結合」、又は「接続」されてもよいが、各構成要素の間に更なる構成要素が「連結」、「結合」、又は「接続」され得ることを理解しなければならないのであろう。
【００３６】
いずれか１つの実施形態に含まれた構成要素と、共通機能を含む構成要素は、他の実施形態で同じ名称を用いて説明することにする。反対となる記載がない限り、いずれか１つの実施形態に記載した説明は他の実施形態にも適用可能であり、重複する範囲で具体的な説明は省略することにする。
【００３７】
図１は、一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーターの断面図である。
【００３８】
図１を参照すると、一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーター１０は、ユーザに様々な触覚を提供できる薄くて曲げ可能なフレキシブル触覚アクチュエーター１０であって、例えば、四角形又は円形状のパネルで形成され得る。また、本発明のフレキシブル触覚アクチュエーター１０は様々な形状に製造されてもよい。
【００３９】
フレキシブル触覚アクチュエーター１０は、触覚伝達部１１、弾性部材１２、及び磁場生成部１３を含む。
【００４０】
触覚伝達部１１は、外部磁場に反応して振動などのような運動を行いながら、このような運動により、ユーザは様々な触覚が伝達される。また、触覚伝達部１１は、薄くて曲げ可能な特性を有する。
【００４１】
例えば、触覚伝達部１１は、直六面体又は円筒状のマトリックスレイヤ１１１及び磁性粒子１１２を含む。
【００４２】
マトリックスレイヤ１１１は、触覚伝達部１１の外形及び素材を構成している物質であってもよく、直六面体又は円筒の形状を有してもよく、磁性粒子１１２が内部に含有されてもよい。例えば、マトリックスレイヤ１１１は、触覚伝達部１１の耐久性を高めることができ、磁性粒子１１２が均等又は一定の方向に配置されるようにする。
【００４３】
例えば、マトリックスレイヤ１１１は、弾性のあるシリコン、ポリウレタン、ニトリル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニルアルコールなどのようなゴム、プラスチック又はポリマー素材などで形成され、触覚伝達部１１の曲げを可能にする。
【００４４】
また、マトリックスレイヤ１１１は、その内部に磁性粒子１１２が均等又は一定の方向に分布され、０．０２Ｎ／ｍｍ＾２以上８．８５Ｎ／ｍｍ＾２以下の引張強度と、６５％以上７００％以下の延伸率を有する素材から形成され得る。
【００４５】
磁性粒子１１２は、マトリックスレイヤ１１１に配置され、マトリックスレイヤ１１１の内部で均等に分布している。例えば、マトリックスレイヤ１１１は、後述する磁場生成部１３で印加される磁場に反応する磁性粒子１１２の影響を受けて動き、このような動きによりフレキシブル触覚アクチュエーター１０が駆動され得る。
【００４６】
例えば、磁性粒子１１２は、磁場生成部１３による上下運動の変化を最大にするため残留磁気の密度と保磁力の値が大きいほど好ましい。また、磁性粒子１１２は、特定の形状である必要がなく、球形又は磁気異方性を有する縦横比の大きいフレイク（ｆｌａｋｅ）形状を有し得る。
【００４７】
また、磁性粒子１１２は、鉄、ニッケル、及びコバルトなどの金属元素とフェライト系元素のうち少なくとも１つ以上の素材を含んでもよく、また、サマリウム及びネオジムなどの希土類系元素のうち少なくとも１つ以上が含まれた粉、合金、合金粉、及び合成体などの物質であってもよい。例えば、磁性粒子１１２の大きさは０．０１〜１００μｍであり得る。
【００４８】
一方、触覚伝達部１１は、磁気粘弾性エラストマ（Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ  Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ、ＭＲＥ）で形成されるが、例えば、磁気粘弾性エラストマは、外部磁場に反応される粒子を含む弾性体素材であって、弾性体素材内に外部磁場により磁化される磁性粒子１１２を含む。
【００４９】
例えば、磁気粘弾性エラストマは外部磁場の印加によって、その剛性、引張強度、及び延伸率などの特性が変化する。
【００５０】
弾性部材１２は、触覚伝達部１１の上下運動の空間を確保し得る。例えば、弾性部材１２は、触覚伝達部１１の運動を増幅させ得る。例えば、弾性部材１２は、図１に示すように、触覚伝達部１１の下側に連結され、磁場生成部１３の上側を覆うよう形成される膜状の部材であってもよい。例えば、弾性部材１２の少なくとも一部は、磁場生成部１３の上面と面接触して付着される。
【００５１】
例えば、弾性部材１２は、フィルム形態の薄いポリマーであってもよい。弾性部材１２は、図１に示すように、磁場生成部１３の縁部から連結され、一定の高さ以上に離隔した外郭が磁場生成部１３を覆うことにより、内部が空いている形状を有してもよい。
【００５２】
例えば、弾性部材１２の上面又は下面のいずれか一面は、触覚伝達部１１の上面又は下面のいずれか一面と面接触するよう固定されてもよい。この場合、弾性部材１２を、必要に応じて適切に選択することで、触覚伝達部１１が触覚伝達部１１そのものの物性値とは異なる動き特性を有するようにする。
【００５３】
一例として、触覚伝達部１１が発生する力を増大させるために、触覚伝達部１１の弾性係数よりも弾性部材１２の弾性係数を高く設定してもよい。
【００５４】
異なる例として、触覚伝達部１１の最大変位を増大させるために、触覚伝達部１１の弾性係数よりも弾性部材１２の弾性係数を低く設定してもよい。
【００５５】
また、弾性部材１２は、弾性のあるポリイミド、ポリエチレンフタレート、ポリプロピレン、及びポリエチレンナフタレンなどのようなポリマー素材のいずれか１つ以上を含んで形成され、摂氏７５度以上の耐熱性を有し、０．５ＧＰａ以上６．１Ｇｐａ以下のヤング率（Ｙｏｕｎｇ’ｓ  ｍｏｄｕｌｕｓ）を有する。該当の内容については下記の表１及び図１３を参照して後述することにする。
【００５６】
例えば、弾性部材１２の両端部は、それぞれ内側又は外側に折り曲げられ、折り曲げられた両端部は、磁場生成部１３の上面に付着される。例えば、弾性部材１２の折り曲げられた両端部は、磁場生成部１３の上面に面接触して付着されてもよい。
【００５７】
また、弾性部材１２の形状は、上方から観測した時、四角形、円形、線形、螺旋形、及びクリップ型などのように様々な形に構成されてもよく、弾性部材１２の高さは、例えば、０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下になるよう設計され、これに関する内容については、図１０を参照して後述することにする。
【００５８】
磁場生成部１３は、図１に示すように、弾性部材１２の下側に配置され、触覚伝達部１１の運動を具現するために触覚伝達部１１に磁場を印加する。
【００５９】
例えば、磁場生成部１３は、円形又は多角形形の平面コイル又はソレノイドコイルを含んでもよい。例えば、磁場生成部１３は、曲げ可能な軟性プリント回路板を含んでもよい。
【００６０】
例えば、磁場生成部１３が軟性プリント回路板を含む場合、磁場生成部２は、絶縁フィルム１３１、磁場生成回路１３２、及び半田パッド１３３を含む。磁場生成部１３１の詳しい構成については、図４を参照して後述することにする。
【００６１】
図２は、一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーターの断面図である。
【００６２】
図２を参照すると、一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーター２０は、触覚伝達部２１、弾性部材２２、及び磁場生成部２３を含む。
【００６３】
図１とは異なって、一実施形態に係る触覚伝達部２１は、弾性部材２２と磁場生成部２３との間の空間に配置され、例えば、弾性部材２２の下面に面接触するように付着されてもよい。
【００６４】
ここで、弾性部材２２の高さは、図１に示された弾性部材１２の高さよりも大きくてもよい。
【００６５】
図３は、一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーターの断面図である。
【００６６】
図３を参照すると、一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーター３０は、触覚伝達部３１、弾性部材３２、及び磁場生成部３３、及びポリマーカバー３４を含む。
【００６７】
ポリマーカバー３４は、磁場生成部３３から離隔され、弾性部材３２及び触覚伝達部３１を覆う。例えば、ポリマーカバー３４は、弾性部材３２よりも構造的に薄く、弾性部材３２よりも柔軟な材質で形成され得る。
【００６８】
弾性部材３２は、図１及び図２とは異なって、ポリマーカバー３４の下面に連結されて形成され、弾性部材３２の下面は磁場生成部３３と接触している。
【００６９】
触覚伝達部３１は、ポリマーカバー３４と弾性部材３２との間の空間に配置され、例えば、上面がポリマーカバー３４の下面に面接触するように固定されてもよい。この場合、ポリマーカバー３４を、必要に応じて適切に選択することで、触覚伝達部３１が触覚伝達部３１そのものの物性値とは異なる動き特性を有するようにする。
【００７０】
図４は、一実施形態に係る磁場生成部の形状を示す図である。
【００７１】
図４を参照すると、一実施形態に係る磁場生成部１３は、軟性プリント回路板で形成され、絶縁フィルム１３１、磁場生成回路１３２、接着剤１３４、及び半田パッド１３３を含む。
【００７２】
絶縁フィルム１３１は薄くて曲げ可能な不導体であってもよく、絶縁フィルム１３１には、磁場生成回路１３２、接着剤１３４、及び半田パッド１３３が配置される。例えば、絶縁フィルム１３１は、３５μｍの厚さのポリイミドフィルムであり得る。
【００７３】
磁場生成回路１３２は、電圧の印加を受けて磁場を生成するためのコイルであって、銅で形成された回路であってもよく、絶縁フィルム１３１の両面のうち少なくとも１つ以上の面に印刷される。
【００７４】
例えば、磁場生成回路１３２は、平面上で円形、楕円形、又は多角形の形状に複数巻かれた形状を有し、磁場生成回路に印加される電流の方向を相違にして磁場の力の方向を変える。
【００７５】
例えば、磁場生成回路１３２は、２０μｍの厚さでメッキされた銅電線で２５回のターン数形成されてもよい。
【００７６】
接着剤１３４は、軟性プリント回路板の製造過程で、例えば、磁場生成回路１３２及び絶縁フィルム１３１を付着するために、磁場生成回路１３２と絶縁フィルム１３１との間に塗布される。
【００７７】
半田パッド１３３は、磁場生成回路１３２の回路電線の両端に連結されて絶縁フィルム１３１の外部に露出するように設けられる。
【００７８】
図５は、磁場生成部の様々な実施形態を示す図である。
【００７９】
図５を参照すると、磁場生成部１３，４３，５３は、軟性プリント回路板で形成され、断面、両面又は多層の形態などに形成され得る。
【００８０】
断面で形成される磁場生成部１３の場合、磁場生成回路１３２は、絶縁フィルム１３１の片面にのみ印刷され、例えば、磁場生成回路１３２が印刷された絶縁フィルム１３１の面には絶縁フィルム１３１がさらに付着され、絶縁フィルム１３１と磁場生成回路１３２との間には接着剤１３４が塗布される。
【００８１】
両面で形成される磁場生成部４３の場合、磁場生成回路４３２は、両面のうちいずれか一面に印刷される第１磁場生成回路４３２ａ、及び他面に印刷される第２磁場生成回路４３２ｂを含む。
【００８２】
ここで、第１及び第２磁場生成回路４３２ａ，４３２ｂは、コイルの巻かれた回転方向が同なように配置される。例えば、第１及び第２磁場生成回路４３２ａ，４３２ｂは、その間に配置される絶縁フィルム４３１に形成された孔を介して連結される１つの回路であってもよい。
【００８３】
例えば、磁場生成回路４３２が印刷された両面には、絶縁フィルム４３１が加えて付着されてもよく、絶縁フィルム４３１と磁場生成回路４３２との間には接着剤４３４が塗布されてもよい。
【００８４】
多層で形成される磁場生成部５３の場合、前述した断面で形成される磁場生成部１３が複数積層された構造で、その間に接着剤５３４が塗布されて接着される。
【００８５】
ここで、多層で形成された複数の磁場生成部５３の磁場生成回路５３２の回転方向は同一なように配置される。
【００８６】
図６は、一実施形態に係る軟性回路基板の層数による磁場の強度を示すグラフである。
【００８７】
図６を参照すると、図５を参照して説明したように、磁場生成部５３が多層の軟性回路基板で形成されている場合、軟性回路基板の層数の変化に応じて磁場生成部５３が生成する磁場の強度を確認できる。
【００８８】
図６に示すように、軟性回路基板の階数が増加するほど、磁場生成部５３が生成する磁場の強度も線形的に増加することが確認される。
【００８９】
図７〜図９は、一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーターが第１形状又は第２形状にある時の形状を示す図である。
【００９０】
図７〜図９を参照すると、一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーター１０，２０，３０は、磁場生成部１３，２３，３３から磁場の影響を受けない場合、例えば、触覚伝達部１１，２１，３１は平たい第１形状を保持し、磁場生成部１３，２３，３３からの磁場が印加される場合、例えば、触覚伝達部１１，２１，３１は磁場からの引力を受けて磁場生成部１３，２３，３３側に曲げられ、第２形状に変形される。言い換えれば、図７に示すように、触覚伝達部１１の中央部が下方に曲がった形状に変形される。
【００９１】
触覚伝達部１１が下方に曲がることで、弾性があり、薄い材質で形成された弾性部材１２の上面も触覚伝達部１１に並んで磁場生成部１３側に曲げられ、第１形状で、弾性部材１２が形成している内部空間も下方に陥没する。
【００９２】
図８を参照すると、図２に示す実施形態のフレキシブル触覚アクチュエーター２０において、その触覚伝達部が磁場の印加を受けて第２形状に変形される場合、触覚伝達部２１が下方に曲げられ、触覚伝達部２１の上面から連結された弾性部材２２も触覚伝達部２１と共に弾性部材２２の上面の中央部が下方に陥没して曲げられる。
【００９３】
図９を参照すると、図３に示された一実施形態のフレキシブル触覚アクチュエーター３０において、その触覚伝達部が磁場の印加を受けて第２形状に変形される場合、触覚伝達部３１が下方に曲げられ、触覚伝達部３１の上面から連結されたポリマーカバー３４も触覚伝達部３１と共にポリマーカバー３４の上面の中央部が下方に陥没して曲げられる。
【００９４】
図１０は、一実施形態に係る弾性部材の高さに応じて触覚伝達部で発生する振動力の強度を測定したグラフである。
【００９５】
具体的に、図１０は、図１に示されたフレキシブル触覚アクチュエーター１０の弾性部材１２の高さを相異にしながら、触覚伝達部１１に加えられる振動力の強度を測定したデータを補間法に基づいて求めたグラフである。
【００９６】
図１０を参照すると、弾性部材１２の高さ、すなわち、磁場生成部１３と触覚伝達部１１との間の距離が大きいほど、触覚伝達部１１で発生する振動力の強度は小さくなることが確認され、弾性部材１２の高さと磁場の強度の変化は下記の数式に基づいていることが確認される。
【００９７】
【数１】
2020149709.tif 000003
【００９８】
ユーザが触覚を用いて検出できる振動力の大きさが約０．２Ｇ以上であることを勘案すれば、図１０及び数式（１）によれば、弾性部材１２の高さ（数式（１）でｘ）は０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが確認される。
【００９９】
図１１は、一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーターに印加される電流量に応じて触覚伝達部で発生する振動力の強度を示すグラフである。
【０１００】
図１１を参照すると、一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーター１０に印加される電流量が増加することにより、触覚伝達部１１で発生する振動力の大きさが線形的に増加することが確認される。
【０１０１】
図１２は、一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーターに印加される駆動電力の周波数の変化に応じて発生する振動力の強度を測定したグラフである。
【０１０２】
図１２を参照すると、ユーザが触覚により検出できる振動力の大きさが約０．２Ｇ以上であることを勘案すれば、一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーターは駆動電力の周波数帯域が９０Ｈｚ〜５００Ｈｚの範囲及び５００Ｈｚを超過する範囲まで０．２Ｇ以上の振動力があることが確認され、広い駆動周波数帯域を有していることが分かる。
【０１０３】
図１３は、一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーター１０で弾性部材の種類に応じて触覚伝達部で発生する振動力の強度を示すグラフである。
【０１０４】
具体的に、図１３は、弾性部材１２の素材に適切なポリマー素材のうち、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリエチレンナフタレート、ポリイミド、及びポリテトラフルオロエチレンを使用した場合、一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーター１０に印加される電流の大きさに応じる振動力の強度を示すグラフである。
【０１０５】
図１３を参照すると、ポリエチレンテレフタレート及びポリイミド素材の弾性部材１２を使用した場合、他の素材よりも遥かに高い振動力が測定されることが確認される。
【０１０６】
次の表１は、前記ポリマー素材のヤング率を示す表である。
【０１０７】
【表１】
2020149709.tif 000004
【０１０８】
図１３及び表１を参照すると、各ポリマーのヤング率（Ｍｐａ、Ｙｏｕｎｇ’ｓ  ｍｏｄｕｌｕｓ）値を勘案するとき、フレキシブル触覚アクチュエーター１０の弾性部材として用いられるポリマー素材が２．５ＧＰａ以上６．１ＧＰａ以下のヤング率を有する場合、入力される電流が１５０ｍＡ〜５００ｍＡである領域で０．１Ｇｒｍｓ以上の振動力を有していることが確認される。
【０１０９】
図１４は、触覚伝達部１１の大きさ及び厚さによる触覚伝達部１１で発生する振動力の強度を示すグラフである。
【０１１０】
具体的に、図１４は、面積である１０ｍｍ×１０ｍｍ、１５ｍｍ×１５ｍｍ、又は２０ｍｍ×２０ｍｍである触覚伝達部１１を使用した場合、該当の触覚伝達部１１の厚さの変化に応じる触覚伝達部１１で発生する振動力の大きさを示すグラフである。
【０１１１】
図１４を参照すると、触覚伝達部１１の大きさが大きいほど、そして厚さが厚いほど振動力が上昇することが確認され、また、触覚伝達部１１は、最小１５ｍｍ×１５ｍｍの大きさと、０．５ｍｍ以上の厚さを有することが好ましいことが確認される。
【０１１２】
図１５は、触覚伝達部１１の磁性粒子１１２の含有量による、触覚伝達部１１で発生する振動力の強度を示すグラフである。
【０１１３】
図１５を参照すると、磁性粒子１１２の含有量が多いほど振動力が大きくなることが確認され、触覚伝達部１１の全体の体積対比磁性粒子１１２の含有量が最小４ｖｏｌ％以上である場合、触覚伝達部１１の振動力が具現できることが確認される。
【０１１４】
図１６は、触覚伝達部の磁性粒子含有量による触覚伝達部の引張強度を示すグラフである。
【０１１５】
図１６を参照すると、磁性粒子１１２の含有量が多いほど触覚伝達部１１の引張強度が小さくなることが確認される。
【０１１６】
フレキシブル触覚アクチュエーター１０が柔軟な特性を有しつつ耐久性を保持するためには、触覚伝達部１１の全体の体積対比磁性粒子１１２の含有量が６０％以下になるよう設計できる。
【０１１７】
図１７は、一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーターの製造方法を示すフローチャートである。
【０１１８】
図１７を参照すると、一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーターの製造方法は、図１に示された一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーター１０の触覚伝達部１１を製造する方法であって、マトリックス素材の投入ステップ９１、磁性粒子の投入ステップ９２、混合ステップ９３、硬化剤の投入ステップ９４、磁場の印加ステップ９５、切断ステップ９６、弾性部材の付着ステップ９７、及び磁場生成部の付着ステップ９８を含む。
【０１１９】
マトリックス素材の投入ステップ９１は、弾性のある触覚伝達部の外部形状及び材質を形成するために、ゴム、プラスチック、又はポリマー素材から形成されたマトリックス素材を予め備えられた混合のための枠組みに投入するステップである。
【０１２０】
ここで、マトリックス素材は今後硬化され、図１に示された一実施形態に係るフレキシブル触覚アクチュエーター１０のマトリックスレイヤ１１１になる。
【０１２１】
磁性粒子の投入ステップ９２は、前述したマトリックス素材の投入ステップ９１と同時に、又は前後に行われるステップとして、混合のための枠組みに注入されたマトリックス素材に磁性を帯びる粉、合金、合金粉、及び合成体のうち１つ以上で構成された磁性粒子１１２を投入するステップであり、マトリックス素材の内部に磁性粒子１１２を挿入するステップであってもよい。
【０１２２】
混合ステップ９３は、磁性粒子の投入ステップ９２以後に行われるマトリックス素材内の磁性粒子１１２が均等分布できるように混合するステップであり、例えば、物理的にマトリックス素材及び磁性粒子１１２を混ぜるステップであってもよい。
【０１２３】
硬化剤の投入ステップ９４は、マトリックス素材を硬化させるためのステップであって、マトリックス素材を固体化することで磁性粒子１１２がマトリックス素材内で固定できるよう硬化剤が投入される。
【０１２４】
例えば、硬化剤の投入ステップ９４は、図１７に示すように、混合ステップ９３以後に行われるが、後述する磁場の印加ステップ９５以前にマトリックス素材が完全に硬化しないのであれば、いかなる順序で行っても構わない。
【０１２５】
磁場の印加ステップ９５は、マトリックス素材に一定の方向に磁場を印加し、磁性粒子１１２を配列させるステップである。磁場の印加ステップ９５は、図１８を参照して後述する。
【０１２６】
切断ステップ９６は、硬化剤の投入ステップ９４及び磁場の印加ステップ９５を経て形成された触覚伝達部を様々な部分に切断するステップである。例えば、切断ステップ９６において、触覚伝達部は、一定の大きさ及び形状に切断して複数の触覚伝達部１１に分けられる。切断ステップ９６によると、１回の工程により複数の触覚伝達部１１を形成できるため、製造コスト及び時間が節約され得る。一方、切断ステップ９６が省略されることは勿論である。
【０１２７】
弾性部材の付着ステップ９７は、触覚伝達部１１に弾性部材１２を付着するステップである。例えば、弾性部材１２の少なくとも一部は、触覚伝達部１１の上面及び下面のいずれか一面と面接触するよう付着される。
【０１２８】
磁場生成部の付着ステップ９８は、弾性部材１２の少なくとも一部を磁場生成部１３の上面に面接触するよう付着するステップである。例えば、弾性部材１２の両端部を外側又は内側に折り曲げ、折り曲げられた両端部を磁場生成部１３の一面に面接触するよう付着させる。
【０１２９】
図１８は、一実施形態に係る磁場の印加ステップを示す図である。
【０１３０】
図１８を参照すると、一実施形態に係る磁場の印加ステップ９５は、マトリックス素材内部の磁性粒子１１２を均等に配列し、マトリックス素材及び磁性粒子１１２で形成される触覚伝達部１１が今後動作する上下方向に対して、垂直方向に磁性粒子１１２が均一に配置されるよう、触覚伝達部１１の上下方向に磁場を印加するステップである。
【０１３１】
例えば、磁場の方向は上方から下方、又は下方から上方のいずれの方向であってもよく、磁場の印加ステップ９５は、硬化剤の投入ステップ９４で投入された硬化剤により、マトリックス素材が完全に硬化するまで持続される。
【０１３２】
例えば、硬化剤の投入ステップ９４は、図１７に示すように、磁場の印加ステップ９５以前に行われてもよいが、磁場の印加ステップ９５が実行されている間に行われてもよい。一方、磁場の印加ステップ９５が省略されてもよいことを明らかにする。
【０１３３】
上述したように、たとえ限定された図面によって実施形態が説明されたが、当技術分野で通常の知識を有する者であれば、前記記載から様々な修正及び変形が可能である。例えば、説明された技術が説明された方法と異なる順に実行されたり、及び／又は説明された構造、装置などの構成要素が説明された方法と異なる形態に結合又は組合わせられたり、他の構成要素又は均等物によって置換されても適切な結果が達成し得る。
【０１３４】
したがって、本発明の範囲は、開示された実施形態に限定されて定められるものではなく、特許請求の範囲及び特許請求の範囲と均等なものなどによって定められるものである。
【図１】
2020149709.tif 000005
【図２】
2020149709.tif 000006
【図３】
2020149709.tif 000007
【図４】
2020149709.tif 000008
【図５】
2020149709.tif 000009
【図６】
2020149709.tif 000010
【図７】
2020149709.tif 000011
【図８】
2020149709.tif 000012
【図９】
2020149709.tif 000013
【図１０】
2020149709.tif 000014
【図１１】
2020149709.tif 000015
【図１２】
2020149709.tif 000016
【図１３】
2020149709.tif 000017
【図１４】
2020149709.tif 000018
【図１５】
2020149709.tif 000019
【図１６】
2020149709.tif 000020
【図１７】
2020149709.tif 000021
【図１８】
2020149709.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】令和2年6月15日(2020.6.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性粒子を含有するマトリックスレイヤを含む触覚伝達部と、
前記触覚伝達部に磁場を印加することができる磁場生成部と、
前記触覚伝達部に連結され、前記触覚伝達部と前記磁場生成部とを互いに離隔させる弾性部材と、を含み、
前記磁場生成部が、前記触覚伝達部に磁場を印加するか、印加しないことによって、前記触覚伝達部の少なくとも一部が、前記磁場生成部に対して相対的に運動して０．２Ｇ以上の振動力を発生させる、フレキシブル触覚アクチュエーター。
【請求項２】
前記触覚伝達部と前記磁場生成部は、０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下ほど互いに離隔する、請求項１に記載のフレキシブル触覚アクチュエーター。
【請求項３】
前記マトリックスレイヤの引張強度は、０．０２Ｎ／ｍｍ＾２以上８．８５Ｎ／ｍｍ＾２以下であり、
前記マトリックスレイヤの延伸率は、６５％以上７００％以下である、請求項１に記載のフレキシブル触覚アクチュエーター。
【請求項４】
前記弾性部材は、０．５ＧＰａ以上６．１ＧＰａ以下のヤング率を有するポリマーで形成される、請求項１に記載のフレキシブル触覚アクチュエーター。
【請求項５】
前記触覚伝達部は、前記触覚伝達部の体積対比前記磁性粒子の含有量が４ｖｏｌ％以上６０ｖｏｌ％以下である、請求項１に記載のフレキシブル触覚アクチュエーター。
【請求項６】
前記弾性部材は、ポリエチレンテレフタレート及びポリイミド素材のいずれか１つ以上の素材を含んで形成される、請求項１に記載のフレキシブル触覚アクチュエーター。