(57)【要約】【課題】ＰＺＴ素子を利用しつつ、変位を拡大することができ、格段に小型化・軽量化を図ることができる接触呈示装置及び駆動方法を提供すること。【解決手段】接触呈示装置１０は、ベースプレート１１上に整列して設置された圧電素子１２と、圧電素子１２の伸縮方向に離間可能に載置されたピン１３と、位置決めカバー１４全体を覆うとともに、指の形状に合わせて湾曲に形成されたキートップを有するトップカバー１５と、ピン１３を圧電素子１２側に付勢するコイルバネ１６とを備え、駆動回路５は、接触呈示時には、対象の圧電素子１２に対して１ｋＨｚ（好ましくは数ｋＨｚ）以上の駆動周波数を印加して該当する圧電素子１２を高速で変位させる。圧電素子１２とピン１３とが衝突することで、圧電素子１２は跳ね上げられ、ピン１３は大きな変位量を獲得する。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース基板上に配置される圧電素子と、
前記圧電素子の伸縮方向に離間可能に当接する可動部材と、
前記可動部材の動きを規制する規制部材と、
前記圧電素子に所定周波数以上の駆動周波数を印加して該圧電素子を高速で変位させる駆動部と、
を備えることを特徴とする接触呈示装置。
【請求項２】
前記可動部材は、接触呈示を行わない初期状態には、自重により前記圧電素子上に当接することを特徴とする請求項１記載の接触呈示装置。
【請求項３】
前記可動部材を前記圧電素子上に当接するように付勢するバネを備えることを特徴とする請求項１記載の接触呈示装置。
【請求項４】
前記駆動部は、前記圧電素子上に当接した前記可動部材を跳ね上げる前記駆動周波数を印加することを特徴とする請求項１記載の接触呈示装置。
【請求項５】
前記駆動部は、接触呈示時には、前記圧電素子に１ｋＨｚ以上の駆動周波数を印加することを特徴とする請求項１記載の接触呈示装置。
【請求項６】
接触呈示対象部位を載置する載置部を備え、
前記可動部材は、接触呈示を行わない初期状態には、前記載置部内に収容され、接触呈示時には、前記載置部表面から突出することを特徴とする請求項１記載の接触呈示装置。
【請求項７】
前記接触呈示対象部位は、指であり、
前記載置部は、指の形状に合わせた湾曲部を有し、
前記可動部材は、前記湾曲部に合わせた全長を有することを特徴とする請求項１記載の接触呈示装置。
【請求項８】
前記圧電素子は、前記ベース基板上に複数配置され、
前記駆動部は、複数配置された前記圧電素子を個別に駆動することを特徴とする請求項１記載の接触呈示装置。
【請求項９】
圧電素子の伸縮方向に可動部材を当接させる工程と、
前記圧電素子に所定周波数以上の駆動周波数を印加して該圧電素子を高速で変位させる工程と、
前記圧電素子の変位及び前記可動部材の質量から導かれる運動方程式に基づいて、前記可動部材を前記圧電素子から跳躍させる工程と
を有する駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力感覚を利用して各種情報を伝達する接触呈示装置及び駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＺＴ素子による素子の変位を利用したアクチュエータがある。しかしＰＺＴのバルク素子は、例えば０．９ｍｍ×０．９ｍｍ×１．６ｍｍで定格電圧を印加した際の変位量は約１μｍ程度と変位量は小さい。ＰＺＴ素子そのものの変位量が小さいことから、変位を拡大するバイモルフ構造のＰＺＴ素子を利用する例が多くある。バイモルフ構造は、上下のピエゾ板間に導電板を挟んで一体化し、ピエゾ板あるいは導電板のいずれか一方を共通電極、他方をセグメント電極とした構造である。
【０００３】
特許文献１には、弾性導電材料からなる薄片の両板面に圧電材料からなる圧電層を積層した圧電素子片と、圧電素子片の基端部に位置する前記薄片の基端部を固定する固定手段と、圧電素子片の略中央部分を湾曲変位の自由度を持たせて支持する支持手段とを具備するバイモルフ構造の圧電アクチュエータが記載されている。
【０００４】
特許文献２には、バイモルフ構造のＰＺＴ素子を利用してピンを上下する触覚刺激装置が記載されている。この触覚刺激装置は、音声などの音響情報を周波数分解し、振動ピンを夫々独立して振動させ、正確な振動パターンを指先に連続して与える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平３−３２２３６号公報
【特許文献２】特開２０００−１６６９６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような従来のバイモルフ構造のＰＺＴ素子を利用したアクチュエータにあっては、変位を拡大するために機構部の長手方向の距離寸法を必要としていたため、機器の小型化・軽量化が困難であった。特許文献２に記載の触覚刺激装置は、バイモルフ構造の長手方向のアームの長さを利用してピンの高さ方向の位置変化を大きくする構成であるため、構造的に小さく（すなわちアームを短く）すると、十分なピンの変位が得られず指先に刺激を伝えることができない。
【０００７】
いずれにしても、元々変位量の小さいＰＺＴ素子を利用する場合、バイモルフ構造を採らざるを得ず、このバイモルフ構造のＰＺＴ素子を利用したアクチュエータ自体がかなりの大きさと重量を持つことに加え、駆動電圧が高く、例えば携帯電話などに搭載することは全く不可能であった。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、ＰＺＴ素子を利用しつつ、変位を拡大することができ、格段に小型化・軽量化を図ることができる接触呈示装置及び駆動方法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】
【０００９】
本発明の接触呈示装置は、ベース基板上に配置される圧電素子と、前記圧電素子の伸縮方向に離間可能に当接する可動部材と、前記可動部材の動きを規制する規制部材と、前記圧電素子に所定周波数以上の駆動周波数を印加して該圧電素子を高速で変位させる駆動部と、を備える構成を採る。
【００１０】
本発明の駆動方法は、圧電素子の伸縮方向に可動部材を当接させる工程と、前記圧電素子に所定周波数以上の駆動周波数を印加して該圧電素子を高速で変位させる工程と、前記圧電素子の変位及び前記可動部材の質量から導かれる運動方程式に基づいて、前記可動部材を前記圧電素子から跳躍させる工程とを有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ＰＺＴ素子を利用しつつ、変位を拡大することができ、格段に小型化・軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の基本原理を説明する図
【図２】本発明の実施の形態に係る接触呈示装置の全体構成を示す図
【図３】上記実施の形態に係る接触呈示装置の構成を示す斜視図
【図４】上記実施の形態に係る接触呈示装置のベースプレート及び圧電素子の構成を示す斜視図
【図５】上記実施の形態に係る接触呈示装置のベースプレート及び位置決めカバーの構成を示す斜視図
【図６】上記実施の形態に係る接触呈示装置の圧電素子上に載置されたピンの構成を示す斜視図
【図７】上記実施の形態に係る接触呈示装置のベースプレート、ピン及び位置決めカバーの組み立て工程を示す斜視図
【図８】上記実施の形態に係る接触呈示装置の断面図
【図９】上記実施の形態に係る接触呈示装置の指がトップカバーに載置された場合の断面図
【図１０】上記実施の形態に係る接触呈示装置の圧電素子に印加する駆動周波数を変えた場合のピンの変位量を測定した図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
（原理説明）
図１は、本発明の基本原理を説明する図であり、図１（ａ）は、そのＰＺＴ素子の周波数応答性を示す図、図１（ｂ）は、その構成図、図１（ｃ）は、その設定条件を表にして示す図である。
【００１５】
ＰＺＴ素子は、駆動信号の周波数を可変することにより、周波数に応答する形で変位する。なお、通常のアクチュエータ（例えばモータ、ソレノイド）はインダクタンス成分を持つため周波数が高くなると応答が持続できない２次遅れ系を持つ。
【００１６】
図１（ａ）に示すように、ＰＺＴ素子は、結晶の歪みによって変位するので周波数を持続しても応答性が持続する特徴を持つ。
【００１７】
本発明者らは、ＰＺＴバルク素子を利用して変位（又は移動速度、加速度）を短時間で拡大する方法を見出した。
【００１８】
図１（ｂ）に示すように、ＰＺＴバルク素子１の上部に可動できるピン２を載せ、ＰＺＴバルク素子１に電圧を印加して変位させる。本発明者らは、ピン２の質量と、ＰＺＴバルク素子１に印加する電圧の周波数が所定の関係を満たすとき、ピン２の変位量が極端に増大することを見出した。このピン２の変位量は、ピン２がＰＺＴバルク素子１の上部から飛び跳ねることによるものである。低い周波数では、ＰＺＴバルク素子１の変位にピン２は追従した動きをするが、１ｋＨｚ近傍より高い周波数になると、ピン２の持つ質量に応じた運動を開始する。これは、ピン２が落下してＰＺＴバルク素子１に当接する際に、ＰＺＴバルク素子１が高速で変位していると、ＰＺＴバルク素子１とピン２とが衝突し、より大きな力がピン２に加わり、ピン２を跳ね上げるようにしてピン２の変位量を増大させる。
【００１９】
ピン２の変位量は、ピン２の材質・形状、ピン２のＰＺＴバルク素子１側への復帰力、ＰＺＴバルク素子１の形状・大きさ・印加電圧などにより異なる。本発明者らの実験によれば、ピン２の質量とＰＺＴバルク素子１に印加する電圧の周波数の設定が支配的であることが判明した。このうち、ピン２については、用途上からある程度の大きさ・形状が規定され、かつ剛性の高い金属を使用したとすると、質量についての調整範囲は少ない。このため、ＰＺＴバルク素子１に印加する電圧の周波数の設定が重要となる。
【００２０】
以下、ピン跳ね上げ時を表す運動方程式の導出について説明する。
【００２１】
図１（ｃ）は、ピン２の質量ｍ，速度ｖ１，加速度α，跳ね上がり高さｈ，衝突時間ｔ，ＰＺＴバルク素子１の速度ｖ２，加速度β，駆動周波数ｆの単位を示す。以下の説明において、簡単のため、ピン２はピン、ＰＺＴバルク素子１はＰＺＴと略記する。
【００２２】
ピンとＰＺＴが衝突する力が最も大きいとき、ピンは最大に跳ね上がる。ここで、ピン・ＰＺＴは剛体であると考えると、ピンとＰＺＴの接触で起こる衝撃力Ｆ（Ｎ）は次式（１）で表すことができる。
【００２３】
Ｆ＝ｍ・ａ
＝ｍ・（α＋β）
＝ｍ・（ｖ１＋ｖ２）／ｔ    …（１）
ピン質量ｍ、衝突時間ｔを一定とするならば、衝撃力を大きくするには衝突直前のピンとＰＺＴの速度を大きくする必要がある。
【００２４】
ピン速度ｖ１は、跳ね上がった高さに依存し、次式（２）で示される。ｇは重力加速度である。
【００２５】
ｖ１＝（２・ｇ・h）（１／２）      …（２）
実際には、ピンはストッパーにより規制されるため、高さには制限が設けられている。
【００２６】
ＰＺＴの変位速度は、印加する電圧が変わらなければ変化はない。しかし、駆動周波数ｆによって伸縮の回数を変化させることができる。例えば、ピンがＭａｘまで上がった状態で落下してくる時間Ｔ（ｓ）は、次式（３）で示される。
【００２７】
Ｔ＝（h・２／ｇ）（１／２）        …（３）
ＰＺＴは、駆動周波数ｆに従って１／ｆ秒に一回伸縮を行うことになる。衝突するタイミングに合わせた周波数を設定することで、最もｖ２が大きい状態でピンと衝突させるよう調節を行うことが可能である。
【００２８】
なお、以上は、摩擦などを無視した簡単なモデルであり、また各制限を設けたため、厳密には当てはまらないことを注記しておく。
【００２９】
（実施の形態）
図２は、上記基本的な考え方に基づく本発明の一実施の形態に係る接触呈示装置の全体構成を示す図である。本実施の形態は、指に各種情報を伝達する触覚呈示デバイスに適用した例である。
【００３０】
図２に示すように、接触呈示装置１０は、駆動回路５の出力により駆動される。
【００３１】
駆動回路５は、駆動信号をＰＺＴバルク素子の定格電圧とするとともに、１ｋＨｚ近傍より高い駆動周波数を印加する。
【００３２】
図３は、上記接触呈示装置１０の構成を示す斜視図であり、図３（ａ）はその破断斜視図、図３（ｂ）はその断面図である。
【００３３】
図３に示すように、接触呈示装置１０は、ベースプレート１１と、ベースプレート１１上に整列して設置された圧電素子１２と、圧電素子１２の伸縮方向に離間可能に載置されたピン１３と、整列した圧電素子１２全体を覆い、ピン１３位置を規制する位置決めカバー１４と、位置決めカバー１４全体を覆うとともに、指の形状に合わせて湾曲に形成されたキートップと該キートップに開口した開口孔１５ａを有し、跳ね上げられたピン１３が開口孔１５ａから突出するトップカバー１５と、ピン１３を圧電素子１２側に付勢するコイルバネ１６とから構成される。
【００３４】
図４は、上記ベースプレート１１及び圧電素子１２の構成を示す斜視図、図５は、上記ベースプレート１１及び位置決めカバー１４の構成を示す斜視図、図６は、上記圧電素子１２上に載置されたピン１３の構成を示す斜視図、図７は、上記ベースプレート１１、ピン１３及び位置決めカバー１４の組み立て工程を示す斜視図である。
【００３５】
図３及び図４に示すように、ベースプレート１１は、ベースプレート本体１１ａ、ベースプレート本体１１ａ表面に設けられた溝部１１ｂ、位置決めカバー１４を固定する爪部１１ｃ及びねじ止め用孔を有する脚部１１ｄから構成される。１つの溝部１１ｂには、３個の圧電素子１２が整列して配置され、圧電素子１２の一端は、該溝部１１ｂに固定される。本実施の形態では、９個の圧電素子１２を整列しているが、どのような個数又は配列でも構わない。例えば、ベースプレート本体１１ａに１６個の圧電素子１２を整列させる構成でもよい。
【００３６】
圧電素子１２は、例えばＰＺＴバルク素子である。
【００３７】
図３及び図６に示すように、ピン１３は、圧電素子１２の端部１２ａに当接して載置される。ピン１３は、位置決めカバー１４の開口孔１４ａ内を摺動する基部１３ａ、コイルバネ１６を規制するフランジ部１３ｂ、及び頭部１３ｃを有する。ピン１３は、自重又はコイルバネ１６の付勢により、その基部１３ａの端が圧電素子１２の端部１２ａに軽く当接する。ピン１３は、圧電素子１２の変位により跳ね上がりが可能である。また、図３（ｂ）に示すように、各ピン１３は、トップカバー１５の形状に合わせて長さが決められる。
【００３８】
図３及び図５に示すように、位置決めカバー１４は、開口孔１４ａを有し、該開口孔１４ａにピン１３の基部１３ａを摺動自在に収容して、圧電素子１２上に載置されたピン１３位置を規制する。
【００３９】
図３及び図７に示すように、位置決めカバー１４は、図６の状態を保つように圧電素子１２上にピン１３を載置しつつ、ベースプレート本体１１ａ上に爪部１１ｃにより固定される。
【００４０】
図３に示すように、トップカバー１５のキートップは、指の形状に合わせた湾曲に形成される。トップカバー１５は、開口孔１５ａを有し、該開口孔１５ａにピン１３の頭部１３ｃを摺動自在に収容する。ピン１３は、跳ね上がり時に、頭部１３ｃがトップカバー１５の表面から突出する。トップカバー１５は、図７の状態のピン１３及び位置決めカバー１４全体を覆うようにしてベースプレート本体１１ａ側面部に固定される。
【００４１】
図３（ｂ）に示すように、コイルバネ１６は、図６に示す状態でピン１３のフランジ部１３ｂとトップカバー１５内部上面間に挿入され、ピン１３を圧電素子１２側に軽く付勢する。これにより、接触呈示装置１０が水平状態で使用されない状況下にあってもピン１３の基部１３ａの端が圧電素子１２の端部１２ａに当接させることができる。なお、接触呈示装置１０を水平状態で使用することが決まっている場合は、ピン１３の自重を用いてピン１３を圧電素子１２側に復帰させる態様でもよい。この場合にはコイルバネ１６が不要になり、またコイルバネ１６取り付けの工程を削減することができ、コスト低減を図ることができる。
【００４２】
以下、上述のように構成された接触呈示装置１０の動作について説明する。まず、接触呈示装置１０の組み立て方法について述べる。
【００４３】
図４に示すように、ベースプレート本体１１ａ上に圧電素子１２を格子状に並べる。圧電素子１２の個数・配置間隔は、任意である。圧電素子１２の配置間隔を、２−４ｍｍ程度に設定すると、指先に感覚を伝える上で有効である。
【００４４】
図５に示すように、格子状に並べられた圧電素子１２を覆うように、位置決めカバー１４を設置し、図７に示すように、位置決めカバー１４の開口孔１４ａにピン１３の基部１３ａを収容する。これにより、図６に示すように、ピン１３の基部１３ａは、圧電素子１２の端部１２ａに当接する。
【００４５】
また、ピン１３には、ピン１３を圧電素子１２に当接するように付勢するコイルバネ１６を取り付ける。
【００４６】
図３に示すように、トップカバー１５を、図７の状態のピン１３及び位置決めカバー１４全体を覆うようにしてベースプレート本体１１ａ側面部に固定する。
【００４７】
次に、接触呈示装置１０の動作について述べる。
【００４８】
図８は、上記接触呈示装置１０の断面図であり、図８（ａ）はそのピン跳ね上げ前（Ｊｕｍｐ前）の断面図、図８（ｂ）はそのピン跳ね上げ後（Ｊｕｍｐ後）の断面図である。
【００４９】
図８に示すように、トップカバー１５のキートップは、指の形状に合わせた湾曲に形成されている。図８（ａ）に示すように、トップカバー１５は、初期状態では、指先に感触がないようにトップカバー１５表面からピン１３の頭部１３ｃが引っ込んだ状態にある。この表面へこみ量は、例えば０．１ｍｍである。
【００５０】
感覚を伝えたい位置にある圧電素子１２に、所定の定格電圧で、かつ前述した駆動周波数の駆動信号を印加し、該当圧電素子１２を振動させる。具体的には、図２に示す駆動回路５の出力により接触呈示装置１０の圧電素子１２を駆動する。圧電素子１２に供給する駆動信号は、所定の定格電圧と駆動周波数を満たす信号であればどのような波形（例えば、矩形波、サイン波、三角波、のこぎり波）でもよい。
【００５１】
図８（ｂ）に示すように、該当圧電素子１２が振動することにより、原理説明で述べた理により該当圧電素子１２に当接するピン１３が跳ね上がる。図８（ｂ）の場合は、３つのピン１３が何れも跳躍し、トップカバー１５表面からピン１３の頭部１３ｃが突出している。この表面突出量は、例えば０．５ｍｍである。
【００５２】
トップカバー１５に乗せられた指に、ピン１３の頭部１３ｃが勢いよく当たることで、ユーザは指先から接触呈示情報を得ることができる。例えば、ピン１３配列が３×３のマトリクス配列において、左側３列のピン１３が跳ね上がり、ユーザがこれを指から知覚したしたとすると、「左」に割り当てられている機能が呈示されていると認識することができる。
【００５３】
図９は、指がトップカバーに載置された場合の接触呈示装置１０の断面図である。
【００５４】
図９に示すように、トップカバー１５のキートップは、指２０の形状に合わせた湾曲に形成されている。また、ピン１３の長さは、指接触部分である湾曲したトップカバー１５の形状に合わせて長さが調整される。これにより、各ピン１３が跳ね上がり、トップカバー１５表面からピン１３の頭部１３ｃが突出した場合、感触の均一化を図ることができる。
【００５５】
また、トップカバー１５のキートップに指を押し付けて利用する態様ではなく、ユーザは湾曲したトップカバー１５に指を置くだけであるため、違和感がなく自然な感じで利用することができる。このため、人に優しい優れた使用感覚のマン・マシン・インタフェースとして活用することができる。湾曲したトップカバー１５に置かれる指の感触が自然で違和感ないことから、表面突出量が例えば０．５ｍｍであってもユーザは十分に、指から感触を得ることができる。従来例のように、キートップに指を押し付けて利用するものでは、ユーザの力加減により触感が変わること、押す力と押される力のバランスが各個人で異なることなどの理由から、本実施の形態のような優れた接触呈示を得ることはできない。
【００５６】
図１０は、圧電素子１２に印加する駆動周波数を変えた場合のピン１３の変位量を測定した図である。図１０（ａ）−（ｅ）は、駆動周波数を、順に１０Ｈｚ，１００Ｈｚ，５００Ｈｚ，１ｋＨｚ，５ｋＨｚにした実測波形である。各図中、上段の波形が駆動信号を、下段の波形がピン変位信号を示す。ピン変位は、レーザ測長機を利用しており、測定レンジは、５０μｍ／ｖですべて同じである。
【００５７】
図１０（ｄ）に示すように、駆動周波数が１ｋＨｚになると、ピン１３の変位量が増える。図１０（ｅ）に示すように、駆動周波数を数ｋＨｚに設定すると、ピン１３の変位量が増大する。
【００５８】
以上詳細に説明したように、本実施の形態の接触呈示装置１０は、ベースプレート１１上に整列して設置された圧電素子１２と、圧電素子１２の伸縮方向に離間可能に載置されたピン１３と、位置決めカバー１４全体を覆うとともに、指の形状に合わせて湾曲に形成されたキートップを有するトップカバー１５と、ピン１３を圧電素子１２側に付勢するコイルバネ１６とを備え、駆動回路５は、接触呈示時には、対象の圧電素子１２に対して１ｋＨｚ（好ましくは数ｋＨｚ）以上の駆動周波数を印加して該当する圧電素子１２を高速で変位させる。圧電素子１２とピン１３とが衝突することで、圧電素子１２は跳ね上げられ、ピン１３は大きな変位量を獲得することができる。跳ね上げられたピン１３が、トップカバー１５の開口孔１５ａから突出することで、ユーザは勢いよく跳ね上げられたピン１３の刺激を指に受け、接触呈示情報を得ることができる。
【００５９】
本実施の形態では、ＰＺＴ素子を利用しつつ、変位を拡大することができ、バイモルフ構造のアクチュエータに比較して、格段に小型化・軽量化を図ることができる。本実施の形態を適用したデバイスは、小型化・軽量化の点で比類のないものであり、各種携帯機器、例えば携帯電話などに搭載する途が拓ける。また、本実施の形態では、小型化・軽量化の効果以外にも、部品点数を少なくすることができ、組立工数とコストの低減を図ることができる。
【００６０】
以上、本発明の実施の形態について述べたが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変更が可能であり、本発明がこれらに及ぶことは当然である。
【００６１】
また、上記各実施の形態では、接触呈示装置という名称を用いたが、これは説明の便宜上であり、アクチュエータ、指方向伝達デバイス等であってもよいことは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明に係る接触呈示装置及び駆動方法は、指などの接触呈示対象部位に各種情報を伝達する触覚呈示デバイスに用いて有用である。
【符号の説明】
【００６３】
１  ＰＺＴバルク素子
２，１３  ピン
５  駆動回路
１０  接触呈示装置
１１  ベースプレート
１２  圧電素子
１４  位置決めカバー
１４ａ，１５ａ  開口孔
１５  トップカバー
１６  コイルバネ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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