(57)【要約】【課題】  やわらかい動きや生物的な動きを表現することができる三次元モーション・ディスプレイ装置を提供する。【解決手段】  三次元モーション・ディスプレイ装置は、一端が固定端となり且つ他端が自由端となる可撓性を有する長尺状本体７と、姿勢変更指令に応じて長尺状本体７の姿勢を任意の三軸方向に変更させる姿勢変更機構とを有する複数本のリニアアクチュエータ３がベース５に固定された構造を有する。姿勢変更機構は、形状記憶合金等を用いた機械的な構造により長尺状本体の姿勢を変更するように構成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端が固定端となり且つ他端が自由端となる可撓性を有する長尺状本体と、姿勢変更指令に応じて前記長尺状本体の姿勢を任意の三軸方向に変更させる姿勢変更機構とを有する複数本のリニアアクチュエータを備えてなり、
前記長尺状本体は、自立性を有し且つ前記姿勢変更機構が非駆動状態にあるときに予め定めた姿勢となる構造を有しており、
前記姿勢変更機構は、前記長尺状本体の内部にあって、前記長尺状本体の長手方向に延び且つ前記長尺状本体の周方向に間隔を開けて配置された複数本の形状記憶合金線状体と、前記複数本の形状記憶合金線状体に個別に電流を流す複数の配線回路と、前記姿勢変更指令に応じて前記配線回路を通して前記形状記憶合金線状体に所望の電流を個別に供給する複数の電流供給回路とを備えていることを特徴とする三次元モーション・ディスプレイ装置。
【請求項２】
一端が固定端となり且つ他端が自由端となる可撓性を有する長尺状本体と、姿勢変更指令に応じて前記長尺状本体の姿勢を任意の三軸方向に変更させる姿勢変更機構とを有する複数本のリニアアクチュエータを備えてなる三次元モーション・ディスプレイ装置。
【請求項３】
前記複数本のリニアアクチュエータは、１ｃｍ2当たり４本以上の密度で配置されるように構成されている請求項２に記載の三次元モーション・ディスプレイ装置。
【請求項４】
前記姿勢変更機構は、機械的な構造により前記長尺状本体の前記姿勢を変更するように構成されている請求項２または３に記載の三次元モーション・ディスプレイ装置。
【請求項５】
前記機械的な構造は、温度に応じて記憶した形状になる形状記憶合金を駆動源として前記長尺状本体の姿勢を変更させるように構成されている請求項１または２に記載の三次元モーション・ディスプレイ装置。
【請求項６】
前記長尺状本体は、自立性を有し且つ前記姿勢変更機構が非駆動状態にあるときに予め定めた姿勢となる構造を有しており、
前記姿勢変更機構は、前記長尺状本体の内部にあって、前記長尺状本体の長手方向に延び且つ前記長尺状本体の周方向に間隔を開けて配置された複数本の形状記憶合金線状体と、前記複数本の形状記憶合金線状体に個別に電流を流す複数の配線回路と、前記姿勢変更指令に応じて前記配線回路を通して前記形状記憶合金線状体に所望の電流を個別に供給する複数の電流供給回路とを備えている請求項５に記載の三次元モーション・ディスプレイ装置。
【請求項７】
前記長尺状本体は、自立性の無い外装部の内部に自立性を有する芯材が配置されて、前記自立性を出す構造を有している請求項１または６に記載の三次元モーション・ディスプレイ装置。
【請求項８】
３本以上の形状記憶合金線状体が、前記周方向に間隔をあけて配置されている請求項１または６に記載の三次元モーション・ディスプレイ装置。
【請求項９】
前記複数本のリニアアクチュエータに対して複数の前記姿勢変更指令を個別に与える姿勢変更指令発生装置を更に備えており、
前記姿勢変更指令発生装置は、前記複数のリニアアクチュエータを観察する観察者の動作を検出して動作信号を出力する観察者動作検出装置を含んで構成されて、前記動作信号を入力信号として前記複数本のリニアアクチュエータを動作させるように前記複数の姿勢変更指令を生成することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の三次元モーション・ディスプレイ装置。
【請求項１０】
前記複数本のリニアアクチュエータによって構成されたフィールドの上に、映像信号に基づいて映像を投影する映像投影装置と、
前記複数本のリニアアクチュエータに対して複数の前記姿勢変更指令を個別に与える姿勢変更指令発生装置を更に備えており、
前記姿勢変更指令発生装置は、前記映像に対応して前記複数本のリニアアクチュエータを動作させるように、前記映像信号を入力信号として前記複数の姿勢変更指令を生成することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の三次元モーション・ディスプレイ装置。
【請求項１１】
音響信号を再生して音楽を発生する音響信号再生装置と、
前記複数本のリニアアクチュエータに対して複数の前記姿勢変更指令を個別に与える姿勢変更指令発生装置とを更に備えており、
前記姿勢変更指令発生装置は、前記音楽に対応して前記複数本のリニアアクチュエータを動作させるように、前記音響信号を入力信号として前記複数の姿勢変更指令を生成することを特徴とする請求項１または２に記載の三次元モーション・ディスプレイ装置。
【請求項１２】
前記姿勢変更指令発生装置は、前記入力信号を解析して制御数値に変換する信号解析変換部と、前記信号解析変換部の出力を前記複数の姿勢変更指令に変換する信号変換部とからなる請求項９，１０または１１に記載の三次元モーション・ディスプレイ装置。
【請求項１３】
一端が固定端となり且つ他端が自由端となる可撓性を有する長尺状本体と、姿勢変更指令に応じて前記長尺状本体の姿勢を任意の三軸方向に変更させる姿勢変更機構とを有するリニアアクチュエータであって、
前記長尺状本体は、自立性を有し且つ前記姿勢変更機構が非駆動状態にあるときに予め定めた姿勢となる構造を有しており、
前記姿勢変更機構は、前記長尺状本体の内部にあって、前記長尺状本体の長手方向に延び且つ前記長尺状本体の周方向に間隔を開けて配置された複数本の形状記憶合金線状体と、前記複数本の形状記憶合金線状体に個別に電流を流す複数の配線回路と、前記姿勢変更指令に応じて前記配線回路を通して前記形状記憶合金線状体に所望の電流を個別に供給する複数の電流供給回路とを備えていることを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項１４】
前記長尺状本体は、自立性の無い外装部の内部に自立性を有する芯材が配置されて、前記自立性を出す構造を有している請求項１３に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項１５】
３本以上の形状記憶合金線状体が、前記周方向に間隔をあけて配置されている請求項１３に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項１６】
３本の前記形状記憶合金線状体が、前記周方向に等間隔をあけて配置されており、
前記電流供給回路は、前記長尺状本体の前記自由端を旋回運動させる前記姿勢変更指令が入力されると、前記３本の形状記憶合金線状体に所定の電流切換モードで第１乃至第３の駆動電流をそれぞれ流すように構成され、
前記電流切換モードは、前記第１乃至第３の駆動電流が電気角で１２０°の位相差を持ち且つ前記第１の駆動電流に含まれる駆動電流の立ち上がり部が、第２の駆動電流に含まれる駆動電流の立ち下がり部と重なり、前記第１の駆動電流に含まれる前記駆動電流の立ち下がり部が前記第３の駆動電流に含まれる駆動電流の立ち上がり部と重なるように、前記第１乃至第３の駆動電流を切り替えるように構成されている請求項１３に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項１７】
前記駆動電流は、前記立ち上がり部において徐々に電流が増加し、前記立ち下がり部において徐々に電流が減少し、前記立ち上がり部と前記立ち下がり部の間に電流値が一定値になる部分を有している請求項１６に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項１８】
前記請求項９に記載の三次元モーション・ディスプレイ装置を制御する方法であって、
前記複数のリニアアクチュエータを前記観察者動作検出装置を用いて観察し、前記観察者の動作を検出して動作信号を出力するステップと、
前記動作信号を入力信号として前記複数本のリニアアクチュエータを動作させるように前記複数の姿勢変更指令を生成するステップとを実行する三次元モーション・ディスプレイ装置の制御方法。
【請求項１９】
前記請求項１０に記載の三次元モーション・ディスプレイ装置を制御する方法であって、
映像投影装置を用いて、前記複数本のリニアアクチュエータによって構成されたフィールドの上に映像信号に基づいた映像を投影するステップと、
前記映像に対応して前記複数本のリニアアクチュエータを動作させるように、前記映像信号を入力信号として前記複数の姿勢変更指令を生成するステップとを実行する三次元モーション・ディスプレイ装置の制御方法。
【請求項２０】
前記請求項１１に記載の三次元モーション・ディスプレイ装置を制御する方法であって、
前記音響信号再生装置に前記音響信号を再生させて音楽を発生するステップと、
前記音楽に対応して前記複数本のリニアアクチュエータを動作させるように、前記音響信号を入力信号として前記複数の姿勢変更指令を生成するステップとを実行する三次元モーション・ディスプレイ装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数本のリニアアクチュエータを備えてなる三次元モーション・ディスプレイ装置及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来物体の形状や動きの変化を利用したディスプレイには、東京大学の中谷氏らが開発したピンアレイによるディスプレイや、ニューヨーク大学のDaniel Rozinが提案した「Mechanical Mirrors」や、株式会社セガが販売する「セガトイズ・ペコっぱ（商標）」がある。また発明者等が２００９年３月３１日に発行した論文「インタラクションデザインとメディアアート」、Nakayasu, A. and Tomimatsu, K.が「Himawari: A Plant Robot.」と題してIn the Posters of ACM SIGGRAPH 2009, ACM Press（2009）．（２００９年８月発行済）に発表した論文、Nakayasu, A. and Tomimatsu, K.が、「Himawari plant robot: creature expression using shape-memory-alloy actuator crowd robots.」と題してIn the Emerging Technologies of ACM SIGGRAPH ASIA 2009, ACM Press（2009）．（２００９年１２月発行済）に発表した論文の中には、ひまわりの花びらを形状記憶合金を利用して開いたり閉じたりする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】２００９年３月３１日にデザイン学会から発行された論文「インタラクションデザインとメディアアート」
【非特許文献２】Nakayasu, A. and Tomimatsu, K、「Himawari: A Plant Robot.」、In the Posters of ACM SIGGRAPH 2009, ACM Press（2009）．
【非特許文献３】Nakayasu, A. and Tomimatsu, K.、「Himawari plant robot: creature expression using shape-memory-alloy actuator crowd robots.」、In the Emerging Technologies of ACM SIGGRAPH ASIA 2009, ACM Press（2009）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述の「ピンアレイによるディスプレイ」や「Mechanical Mirrors」では、構成要素である物体を動かし、それらを高密度に配置することで、幾何学形状や文字形状の呈示、映像的表現を行っている。しかしながら、やわらかい動きや生物的な動きを表現することはできない。また「ペコっぱ（商標）」は、形状記憶合金を利用して植物の茎の動きを実現しているが、１本の茎を動作しているだけで、高密度に多数のアクチュエータを動作させた表現を行うことはできない。さらに発明者等が非特許文献１乃至３に発表した構造は、動作方向が限定されているため、やわらかい動きや生物的な動きを表現することは十分に行えていない。
【０００５】
本発明の目的は、やわらかい動きや生物的な動きを表現することができる三次元モーション・ディスプレイ装置及びその制御方法を提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、三次元モーション・ディスプレイ装置等の各種の装置に使用するのに適したリニアアクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の三次元モーション・ディスプレイ装置は、一端が固定端となり且つ他端が自由端となる可撓性を有する長尺状本体と、姿勢変更指令に応じて長尺状本体の姿勢を任意の三軸方向に変更させる姿勢変更機構とを有する複数本のリニアアクチュエータを備えている。本願明細書において、可撓性を有する長尺状本体とは、弾力性を有する線材や、バネのように、撓んで姿勢を変更する性質を有するものであればよく、撓む方向は一方向だけでなく任意の三軸方向に撓み得るものである。本願明細書において「任意の三軸方向」とは、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸を有する三次元座標系に含まれるＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向を含むすべての軸方向のうち、長尺状本体が固定端を固定中心として自由端が任意の位置を取ることができるように物理的に曲がり得るすべての軸方向を意味する。本発明では、姿勢変更指令に応じて姿勢変更機構が動作することにより、長尺状本体の姿勢が任意の三軸方向に変更される。そして姿勢変更機構が非動作状態になれば、可撓性に基づく復元力によって、長尺状本体の元の姿勢に戻る。したがって本発明の三次元モーション・ディスプレイ装置によれば、複数本のリニアアクチュエータをある程度の本数まとめてそれらの姿勢を変更するこにより、やわらかい動きや生物的な動きを実現できる。なお複数本のリニアアクチュエータを複数の集合体として各集合体の姿勢を変更してもよく、また複数本のリニアアクチュエータを個別に駆動して、ランダムなやわらかい動きを実現してもよく、複数本のリニアアクチュエータの姿勢をどのように変更するかは任意である。
【０００８】
姿勢変更機構は、長尺状本体の姿勢を制御可能に変更できるものであれば、どのような構造でもよい。典型的には、姿勢変更機構は、機械的な構造により長尺状本体の姿勢を変更するように構成することができる。複数本のリニアアクチュエータは、１ｃｍ2当たり４本以上の密度で配置されるように構成されているのが好ましい。この程度の密度で複数本のリニアアクチュエータを配置すれば、観者が感じる複数本のリニアアクチュエータの動きは、従来に無い軟らかな動きとなり、機械的な動きであるとの印象が薄くなる。
【０００９】
前述の、機械的な構造としては、温度に応じて記憶した形状になる形状記憶合金を駆動源として長尺状本体の姿勢を変更させるように構成されたものを用いることができる。また機械的な構造は、流体圧を駆動源として長尺状本体の姿勢を変更するように構成されていてもよい。さらに機械的な構造は、電気モータを駆動源として長尺状本体の姿勢を変更するように構成されていてもよい。さらに機械的な構造は、電磁力を駆動源として長尺状本体の姿勢を変更するように構成されていてもよい。
【００１０】
可撓性を有する長尺状本体は、自立性を有し且つ姿勢変更機構が非駆動状態にあるときに予め定めた姿勢となる構造を有している。ここで自立性とは、長尺状本体自身で形状を維持できる性質を言う。
【００１１】
リニアアクチュエータの姿勢変更機構が、機械的な構造として、形状記憶合金を用いる場合には、姿勢変更機構は、長尺状本体の内部にあって、長尺状本体の長手方向に延び且つ長尺状本体の周方向に間隔を開けて配置された複数本の形状記憶合金線状体と、複数本の形状記憶合金線状体に個別に電流を流す複数の配線回路と、姿勢変更指令に応じて配線回路を通して形状記憶合金線状体に所望の電流を個別に供給する複数の電流供給回路とを備えた構造とすることができる。配線回路を通して形状記憶合金線状体に電流が流れると、形状記憶合金線状体は発熱し、その熱で形状記憶合金線状体は記憶している発熱温度に応じた形状にその形を変更をする。長尺状本体の周方向に間隔を開けて複数本の形状記憶合金線状体を配置すれば、複数本の形状記憶合金線状体を配置した位置をそれぞれ姿勢変更の基準位置として長尺状本体の姿勢を変更させることができる。例えば、３本以上の形状記憶合金線状体を周方向に間隔をあけて配置した場合には、各形状記憶合金線状体に印加する電圧を変えて（流れる電流を変えて）、各形状記憶合金線状体の温度を変えることにより、各形状記憶合金線状体の形状の変更量を変えると、力が平衡する姿勢で長尺状本体の姿勢が定まる。したがって３本以上の形状記憶合金線状体に印加する電圧の比率を変えることにより、長尺状本体を任意の姿勢にすることができる。なお長尺状本体の内部を長手方向に延びる形状記憶合金線状体は、両端が長尺状本体の固定端と自由端の先端部とに対して固定された状態になるように配置し、自由端側の端部で配線回路を構成するリード線と電気的に接続するようにすることができる。また形状記憶合金線状体を長尺状本体の内部を固定端側から自由端の先端部まで延びる往路部分と自由端の先端部から固定端側まで延びる復路部分とを備えたものを用いることができる。この場合には、形状記憶合金線状体の両端を長尺状本体の固定端に対して固定し、往路部分と復路部分の境界部を長尺状本体の自由端の先端部に対して固定した状態になるようにし、形状記憶合金線状体の両端を配線回路を介して電流供給回路に接続すればよい。
【００１２】
また、３本以上の形状記憶合金線状体に印加する電圧の比率を連続して変えることにより、リニアアクチュエータの長尺状本体の先端を３６０度回転させることも可能である。例えば、３本の形状記憶合金線状体を、周方向に等間隔をあけて配置する場合には、３本の形状記憶合金線状体に電流を供給する３つの電流供給回路はそれぞれ次のように構成する。すなわち３つの電流供給回路は、長尺状本体の自由端を旋回運動させる姿勢変更指令が入力されると、３本の形状記憶合金線状体に所定の電流切換モードで第１乃至第３の駆動電流をそれぞれ流すように構成する。この電流切換モードは、第１乃至第３の駆動電流が電気角で１２０°の位相差を持ち且つ第１の駆動電流に含まれる駆動電流の立ち上がり部が、第２の駆動電流に含まれる駆動電流の立ち下がり部と重なり、第１の駆動電流に含まれる駆動電流の立ち下がり部が第３の駆動電流に含まれる駆動電流の立ち上がり部と重なるように、第１乃至第３の駆動電流を切り替えるように構成されているのが望ましい。このような電流切換モードを用いると、３本の形状記憶合金線状体を用いてリニアアクチュエータの長尺状本体の先端を連続的に３６０度回転させることができる。リニアアクチュエータの長尺状本体の先端を連続的に３６０度回転させることができるということは、長尺状本体を任意の姿勢に変更できることを裏付けるものである。なお駆動電流は、立ち上がり部において徐々に電流が増加し、立ち下がり部において徐々に電流が減少し、立ち上がり部と立ち下がり部の間に電流値が一定値になる部分を有しているのが好ましい。このような駆動電流を用いると、リニアアクチュエータの長尺状本体の先端をスムーズに３６０度回転させることができる。
【００１３】
なお長尺状本体は、自立性の無い外装部の内部に自立性を有する芯材が配置されて、自立性を出す構造を有しているものでもよい。このような構造の長尺状本体を採用すると、外装の材質を変えることにより、ディスプレイの質感の印象や触感を変えることもできる。
【００１４】
なお三次元モーション・ディスプレイ装置自身が、複数本のリニアアクチュエータに対して複数の姿勢変更指令を個別に与える姿勢変更指令発生装置を更に備えていてもよい。例えば、姿勢変更指令発生装置は、複数のリニアアクチュエータを観察する観察者の動作を検出して動作信号を出力する観察者動作検出装置を含んで構成されて、動作信号を入力信号として複数本のリニアアクチュエータを動作させるように複数の姿勢変更指令を生成するように構成することができる。このようにすると例えば、観察者が三次元モーション・ディスプレイ装置の上に手をかざし、手を移動させると、その手の動きに応じて、複数のリニアアクチュエータの姿勢を変更させることができる。また三次元モーション・ディスプレイ装置の複数のリニアアクチュエータの外観を繁った木の枝のようにデザインした場合には、三次元モーション・ディスプレイ装置に観察者が近づくと、観察者の動きに応じて、枝が動くような表示動作をすることができる。
【００１５】
また複数本のリニアアクチュエータによって構成されたフィールドの上に、映像信号に基づいて映像を投影する映像投影装置と、複数本のリニアアクチュエータに対して複数の姿勢変更指令を個別に与える姿勢変更指令発生装置を更に備えていてもよい。この場合には、姿勢変更指令発生装置は、映像に対応して複数本のリニアアクチュエータを動作させるように、映像信号を入力信号として複数の姿勢変更指令を生成するように構成する。このようにすると、複数本のリニアアクチュエータによって構成されたフィールドの上の映像と同期させて、複数本のリニアアクチュエータをやわらかく動かすことができ、映像を立体的に見せることが可能になる。
【００１６】
さらに音響信号を再生して音楽を発生する音響信号再生装置と、複数本のリニアアクチュエータに対して複数の姿勢変更指令を個別に与える姿勢変更指令発生装置とを更に備えていてもよい。この場合、姿勢変更指令発生装置は、音楽に対応して複数本のリニアアクチュエータを動作させるように、音響信号を入力信号として複数の姿勢変更指令を生成するように構成する。このようにすると、音楽に同期させて、複数本のリニアアクチュエータをやわらかく動かすことができ、観る者に音楽に合わせて動くディスプレイを提供できる。
【００１７】
なお姿勢変更指令発生装置は、入力信号を解析して制御数値に変換する信号解析変換部と、信号解析変換部の出力を複数の姿勢変更指令に変換する信号変換部とから構成することができる。このように姿勢変更指令発生装置を構成すると、様々な入力信号に対応して、必要な指令変更指令を簡単に得ることができる。
【００１８】
また本発明は、複数本のリニアアクチュエータを観察する観察者の動作を観察者動作検出装置を用いて検出して動作信号を出力するステップと、動作信号を入力信号として複数本のリニアアクチュエータを動作させるように複数の姿勢変更指令を生成するステップとを実行する三次元モーション・ディスプレイ装置の制御方法としても表現することができる。
【００１９】
また本発明は、映像投影装置を用いて、複数本のリニアアクチュエータによって構成されたフィールドの上に映像信号に基づいた映像を投影するステップと、映像に対応して複数本のリニアアクチュエータを動作させるように、映像信号を入力信号として複数の姿勢変更指令を生成するステップとを実行する三次元モーション・ディスプレイ装置の制御方法としても表現することができる。
【００２０】
さらに本発明は、音響信号再生装置に音響信号を再生させて音楽を発生するステップと、音楽に対応して複数本のリニアアクチュエータを動作させるように、音響信号を入力信号として複数の姿勢変更指令を生成するステップとを実行する三次元モーション・ディスプレイ装置の制御方法としても表現することができる。
【００２１】
本発明は、一端が固定端となり且つ他端が自由端となる可撓性を有する長尺状本体と、姿勢変更指令に応じて長尺状本体の姿勢を任意の三軸方向に変更させる姿勢変更機構とを有するリニアアクチュエータとして把握することもできる。このリニアアクチュエータの用途は、三次元モーション・ディスプレイ装置の部品としての用途に限定されるものではなく、ロボットの首、腕、指等を動かすためのリニアアクチュエータ等、種々の用途に利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】映像信号に基づいて動作する本発明の三次元モーション・ディスプレイ装置の一実施の形態の構成を示す概略構成図である。
【図２】図１の装置の実際の動作を説明するために用いる図である。
【図３】（Ａ）乃至（Ｄ）は、リニアアクチュエータの動きを説明するために用いる図である。
【図４】リニアアクチュエータの構造を説明するために使用する図である。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は、リニアアクチュエータの動作範囲を示す図であり、（Ｃ）は、リニアアクチュエータを旋回運動させる際に使用する電圧波形の一例を示す図である。
【図６】１本のリニアアクチュエータ内の１組の形状記憶合金線状体とリード線からなる配線回路とに印加する電圧を制御して形状記憶合金線状体に所望の電流を供給する電流供給回路の一例を示す図である。
【図７】三次元モーション・ディスプレイ装置の実施態様の一例を示す図である。
【図８】三次元モーション・ディスプレイ装置の実施態様の他の例を示す図である。
【図９】三次元モーション・ディスプレイ装置の実施態様の更に他の例を示す図である。
【図１０】三次元モーション・ディスプレイ装置の実施態様の更に他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、映像信号に基づいて動作する本発明の三次元モーション・ディスプレイ装置の一実施の形態の構成を示す概略構成図である。また図２は、図１の装置の実際の動作を説明するために用いる図である。図１において、符号１は三次元モーション・ディスプレイ装置のディスプレイ部を示している。このディスプレイ部１は、後に詳しく説明する複数本のリニアアクチュエータ３の長尺状本体７が１ｃｍ2当たり４本以上の密度でベース５に等間隔をあけて植設された構造を有している。ベース５には、図示しない複数の貫通孔が形成されており、これらの貫通孔に長尺状本体７が挿入され、ベース５の下側に複数本のリニアアクチュエータ３の駆動制御装置４が配置されている。
【００２４】
図３及び図４に示すように、複数本のリニアアクチュエータ３は、一端が固定端となり且つ他端が自由端となる可撓性を有する長尺状本体７を有している。長尺状本体７は、例えばシリコンゴム等の可撓性を有する材料により形成さている。本実施の形態で用いる長尺状本体７の直径は約３．５ｍｍであり、ベース５から出た長さは約３ｃｍである。
【００２５】
図４に示すように、長尺状本体７の内部には、中心部に長手方向に延び得る中心貫通孔９が形成されており、また中心貫通孔９の周囲には、長手方向に延びる３組の一対の貫通孔１１及び１３，１５及び１７並びに１９及び２１が周方向に等しい間隔（１２０度間隔）をあけて形成されている。中心貫通孔９の内部には可撓性と自立性とを持った線状バネ部材１０が配置されている。この線状バネ部材１０の存在により、長尺状本体７は後述する駆動制御が実施されていないときでも自立した状態になり、また駆動制御により曲がった後でも駆動制御が行われなくなると元の状態に復帰する。
【００２６】
また３組の一対の貫通孔１１及び１３，１５及び１７並びに１９及び２１の一方の貫通孔１１，１５及び１９内には長尺状本体７の長手方向に延びる形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃが配置されており、他方の貫通孔１３，１７及び１９内には、対応する形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃに個別に電流を流す配線回路を構成するエナメル線等からなるリード線２３Ａ〜２３Ｃが挿入されている。形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃの一端（長尺状本体７の自由端の先端部に位置する端部）とリード線２３Ａ〜２３Ｃの一端（長尺状本体７の自由端の先端部に位置する端部）とは機械的及び電気的に接続されている。少なくとも形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃの他端は、長尺状本体７の固定端に対して固定された状態にある。その結果、形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃの変形により、長尺状本体７の姿勢を変更することができる。また形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃの他端とリード線２３Ａ〜２３Ｃの他端は、姿勢変更指令に応じて配線回路のリード線２３Ａ〜２３Ｃを通して形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃに所望の電流を個別に供給する電流供給回路２５（図６）の一対の出力部にそれぞれ接続されている。図４において、「電圧Ａ」「電圧Ｂ」及び「電圧Ｃ」は、それぞれ３本の形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃに印加される電圧を意味している。電圧が変わることにより、形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃに流れる電流が変わり、その結果形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃでの発熱量が変わる。形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃは自己の温度に応じて、形状を変える性質を有している。本実施の形態では、形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃが、自己の温度が上昇すると、直線形状から湾曲形状に変わる性質を有している。湾曲の程度は、温度によって変わる。
【００２７】
図３（Ａ）〜（Ｄ）は、本実施の形態において、形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃに印加する電圧を変えた場合に、１本のリニアアクチュエータ３がその姿勢をどのように変更するかを示している。図３（Ａ）に示すように、「電圧Ａ」「電圧Ｂ」及び「電圧Ｃ」の印加電圧を０％とすると、リニアアクチュエータ３の姿勢は直立状態にあり、図３（Ｂ）のように電圧Ｃだけを１００％にすると、形状記憶合金線状体２１Ｃが曲がる方向にリニアアクチュエータ３は曲がった姿勢となる。図３（Ｃ）及び（Ｄ）は、電圧Ａだけを１００％にした場合と、電圧Ｂだけを１００％にした場合のリニアアクチュエータ３の姿勢の変更状態を示している。
【００２８】
図５（Ａ）は、「電圧Ａ」「電圧Ｂ」及び「電圧Ｃ」をそれぞれ０〜１００％変化させたときに得られる３軸方向へのリニアアクチュエータ３の長尺状本体７の自由端の移動範囲（長尺状本体７の姿勢の変更範囲）Ｒ１を示している。また図５（Ｂ）は、「電圧Ａ」「電圧Ｂ」及び「電圧Ｃ」の強弱をそれぞれ組み合わせることにより得られるリニアアクチュエータ３の長尺状本体７の旋回運動の範囲Ｒ２を前述の変更範囲Ｒ１と重ねて示してある。
【００２９】
図６に示した電流供給回路２５は、１本のリニアアクチュエータ３の長尺状本体７内の１組の形状記憶合金線状体２１Ａとリード線２３Ａからなる配線回路とに印加する電圧Ａを制御して形状記憶合金線状体２１Ａに所望の電流を供給する。１本のリニアアクチュエータ３に対しては前述の電圧Ａ乃至Ｃを制御するために３つの電流供給回路２５が設けられる。１つの電流供給回路２５には、上位のコントローラから入力された姿勢変更指令（制御用シリアル信号）を入力として、３つの電流供給回路２５から３本の形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃに印加する電圧の比率を決定する周辺機器接続制御用ＩＣからなるＰＩＣマスター２７と、ＰＩＣマスター２７からの信号をＰＷＭ制御信号に変換する周辺機器接続制御用ＩＣからなるＰＩＣスレーブ２９と、ＰＩＣスレーブ２９からのＰＷＭ制御信号を光信号に変換するアイソレーション用のフォトカプラ３１と、フォトカプラ３１の出力に基づいて電圧を制御するための導通制御信号を発生するトランジスタアレイ３３と、トランジスタアレイ３３から出力され導通制御信号によりオンオフするＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）３５と、ＦＥＴ３５に直列接続された制御用直流電源３７と、制御用直流電源３７に直列接続された電流制限用抵抗３９とから構成される。なお図６には、フォトカプラ３１からＦＥＴ３５までの具体的な回路の一例を付記してある。なお本発明を実現するにあたって使用可能な回路は、図６に示される回路に限定されるものではない。
【００３０】
図５（Ｃ）は、図６に示した電流供給回路２５を用いて、リニアアクチュエータ３の長尺状本体７に旋回運動を行わせる際に実際に形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃに印加する電圧Ａ乃至電圧Ｃの波形の一例を示している。なお形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃは抵抗体であるため、電圧と電流の位相は一致している。したがって図５（Ｃ）の波形は電流波形と見ることができるので、図５（Ｃ）には説明のために電圧波形を電流波形とみなして、符号ＩＡ乃至ＩＣを付し、以下の説明では電流波形を説明する際には符号ＩＡ乃至ＩＣを用いて説明する。形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃにそれぞれ電流を供給する３つの電流供給回路２５は、長尺状本体７の自由端を旋回運動させる姿勢変更指令がＰＩＣマスター２７に入力されると、３本の形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃに所定の電流切換モードで第１乃至第３の駆動電流（ＩＡ乃至ＩＣ）をそれぞれ流すように構成する。電流切換モードは、ＰＩＣマスター２７によって実行される。この電流切換モードでは、図５（Ｃ）に示すように、第１乃至第３の駆動電流（ＩＡ乃至ＩＣ）が電気角で１２０°の位相差を持ち且つ第１の駆動電流に含まれる駆動電流ＩＡの立ち上がり部が、第２の駆動電流に含まれる駆動電流ＩＣの立ち下がり部と重なり、第１の駆動電流に含まれる駆動電流ＩＡの立ち下がり部が第３の駆動電流に含まれる駆動電流ＩＢの立ち上がり部と重なるように、第１乃至第３の駆動電流を切り替えるように構成されている。このような電流切換モードを用いると、３本の形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃを用いてリニアアクチュエータ３の長尺状本体７の先端を連続的に３６０度回転させることができる。リニアアクチュエータ３の長尺状本体７の先端を連続的に３６０度回転させることができるということは、長尺状本体７を任意の姿勢に変更できることを裏付けている。なお本実施の形態で用いる駆動電流ＩＡ乃至ＩＣは、立ち上がり部において徐々に電流が増加し、立ち下がり部において徐々に電流が減少し、立ち上がり部と立ち下がり部の間に電流値が一定値になる部分を有している。このような駆動電流を用いると、リニアアクチュエータ３の長尺状本体７の先端をスムーズに３６０度回転させることができる。
【００３１】
本実施の形態では、形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃと、リード線２３Ａ〜２３Ｃと電流供給回路２５とにより、姿勢変更指令に応じて長尺状本体７の姿勢を任意の三軸方向に変更させる姿勢変更機構が構成されている。
【００３２】
図６に示した電流供給回路２５が、リニアアクチュエータ３の数の３倍集まって、図１の多チャンネル電圧制御回路４１が構成されている。多チャンネル電圧制御回路４１には、複数本のリニアアクチュエータ３に対して複数の姿勢変更指令を個別に与える姿勢変更指令発生装置としての上位コントローラ４３から各リニアアクチュエータ３に対する姿勢変更指令が入力される。上位コントローラ４３では、映像入力を解析して姿勢変更指令を生成する。本実施の形態では、図２に示されるように人間の手の動きを撮影して得た映像データ（映像信号）を上位コントローラ４３中の信号解析変換部４３Ａが解析し、解析結果を信号変換部４３Ｂで姿勢変更指令に変換することで、三次元モーションディスプレイ装置の構成要素である複数のリニアアクチュエータ３の動きを制御する。映像データのピクセルの光の変化を、物体（複数のリニアアクチュエータ３）の動きの変化に変換することで、実体の存在感を利用したディスプレイ装置が可能となる。上位コントローラ４３内では、映像入力を信号解析変換部４３Ａでオプティカル解析し、信号変換部４３Ｂで３Ｄベクトルデータからリニアアクチュエータ３の制御データへと変換を行い、信号変換部４３Ｂは最後に制御数値を形状記憶合金線状体の電圧数値へと変換して、変換結果を姿勢変更指令として出力する。このように、本実施の形態では、映像の２次元の動きを解析し、それを実体空間の物体の動きである三次元の動きに変換する。複数のリニアアクチュエータ３が姿勢を変更する動きが集まることにより、図７に示すような流れの変化を視覚的、物理的に表現することが可能となる。本実施の形態で用いるリニアアクチュエータ３は、まっすぐ直立の状態を初期状態とする。ある方向へ曲がった場合は、逆の方向へ曲がる前に初期状態へもどる。この行ったり戻ったりの「ゆらぎ」の速度を調整することで、多数のリニアアクチュエータ３全体でなめらかにゆらぐことを可能にする。また本実施の形態のように、駆動源として形状記憶合金を利用すると、複数のリニアアクチュエータ３を利用して「葉がゆれる、触手がうねる」ようなやわらかい動きを実現することができる。そして高密度に配置した複数のリニアアクチュエータ３からなるアレイ全体で、「葉がざわめく植物」や「いそぎんちゃくの多数の触手」のような生物的な動きを表現することができる三次元モーション・ディスプレイ装置を提供することができる。形状記憶合金線状体２１Ａ乃至２１Ｃに印加する電圧（または通電する駆動電流）をそれぞれ制御して形状記憶合金線状体２１Ａ乃至２１Ｃで発生する熱による形状記憶合金の形状を制御することにより、リニアアクチュエータ３の曲がり方を変化させると、リニアアクチュエータ３を任意の３軸方向へ駆動することが可能になる。その結果、リニアアクチュエータ３を多数配置することで、より自由度の高い表現を行うことができる。本実施の形態の三次元モーション・ディスプレイ装置を利用することで、アミューズメント施設やテーマパークで、これまでにないイベントや空間を演出することができる。
【００３３】
本発明の三次元モーション・ディスプレイ装置では、複数のリニアアクチュエータ３の中で動いているところと、止まっているところの見え方の差によって、視覚認識における境界をつくり、それらが高密度に集まったディスプレイ全体で記号や図形等を表現することもできる。例えば図８に示すように任意の３軸方向に動くリニアアクチュエータの先端に木の葉の造花を取り付け、人の形に該当する領域の複数の木の葉を揺らすことにより、人の形を表現することができる。
【００３４】
また図９の白い部分を認識させたい図形だとすると、図９の白いピクセルに対応する複数のリニアアクチュエータ３を振動させるように動かし続ける。このようにすることで黒いピクセルに対応する静止している複数のリニアアクチュエータ３との間に見え方の差が生まれ、図形を認識することができる。
【００３５】
さらに本実施の形態の三次元モーション・ディスプレイ装置では、草木がなびくような動きのながれを表現できることが大きな特徴である。そこで図１０に示すように白い図形が動いた場合に、一つ一つの白いピクセルが動いた方向（オプティカル・フロー、図１０中の矢印）を解析して、その方向とリニアアクチュエータ３の動きとを対応させればよい。
【００３６】
姿勢変更機構は、長尺状本体７の姿勢を制御可能に変更できるものであれば、どのような構造でもよい。典型的には、姿勢変更機構は、機械的な構造により長尺状本体７の姿勢を変更するように構成することができる。上記実施の形態では、機械的な構造として、温度に応じて記憶した形状になる形状記憶合金を駆動源として長尺状本体の姿勢を変更させるように構成されたものを用いたが、その他の機械的な構造としては、流体圧を駆動源として長尺状本体の姿勢を変更するように構成されていてもよい。さらに機械的な構造は、電気モータを駆動源として長尺状本体の姿勢を変更するように構成されていてもよい。さらに機械的な構造は、電磁力を駆動源として長尺状本体の姿勢を変更するように構成されていてもよい。
【００３７】
なお三次元モーション・ディスプレイ装置自身が、複数本のリニアアクチュエータに対して複数の姿勢変更指令を個別に与える姿勢変更指令発生装置（図１及び図２の上位コントローラ４３）を備えていてもよい。図２に示すように、姿勢変更指令発生装置（４３）は、複数のリニアアクチュエータを観察する観察者の動作をカメラにより検出して動作信号を出力する観察者動作検出装置４３Ｅを含んで構成されており、観察者動作検出装置４３Ｅからの映像入力信号を動作信号として複数本のリニアアクチュエータ３を動作させるように複数の姿勢変更指令を生成する。
【００３８】
また図２に示すように、姿勢変更指令発生装置（４３）には、複数本のリニアアクチュエータ３によって構成されたフィールドの上に、映像信号発生部４３Ｃから出力される映像信号に基づいて映像を投影する映像投影装置６を設けても良い。例えば、観察者の手の映像に基づいて、フィールド上に例えば泳ぐ魚の映像を投影することができる。この場合には、観察者動作検出装置４３Ｅにより検出された手の位置と動きに合わせてフィールド中の対応する位置にある複数のリニアアクチュエータ３を動作させる際に、動作する複数のリニアアクチュエータ３の上に泳ぐ魚の映像を写すことができる。このようにすると、複数本のリニアアクチュエータ３によって構成されたフィールドの上の映像と同期させて、複数本のリニアアクチュエータをやわらかく動かすことができ、映像を立体的に見せることが可能になる。また観察者動作検出装置４３Ｅを設けずに、映像信号発生部４３Ｃから出力される映像信号に同期させて複数のリニアアクチュエータ３を動作させるようにしてもよい。その場合には、信号解析変換部４３Ａは、映像信号発生部４３Ｃから出力される映像信号を入力信号として解析する。
【００３９】
さらに図２に示すように、姿勢変更指令発生装置（４３）には、映像入力信号と同期して音響信号を発生する音響信号発生部４３Ｄを設けることができる。音響信号発生部４３Ｄから出力された音響信号は、音響信号再生装置８によって再生される。リニアアクチュエータ３の動きと同期して音楽を再生することにより、観察者に視覚だけでなく聴覚からもリアルな表現を提示することができる。また観察者動作検出装置４３Ｅを設けずに、音響信号発生部４３Ｄからの音響信号に同期させて複数のリニアアクチュエータ３を動作させるようにしてもよい。この場合、姿勢変更指令発生装置（４３）の信号解析変換部４３Ａを、音響信号を解析して動作信号を出力するように構成すればよい。このようにすると、音楽に同期させて、複数本のリニアアクチュエータ３をやわらかく動かすことができ、観る者に音楽に合わせて動くディスプレイを提供できる。
【００４０】
なお姿勢変更指令発生装置を構成する上位コントローラ４３には、入力信号を解析して制御数値に変換する信号解析変換部４３Ａと、信号解析変換部４３Ａの出力を複数の姿勢変更指令に変換する信号変換部４３Ｂとをプログラムにより構成することができる。このように姿勢変更指令発生装置を構成すると、様々な入力信号に対応して、必要な指令変更指令を簡単に得ることができる。
【００４１】
上記の実施の形態では、図４を用いて説明したように、長尺状本体７の内部に形成した長手方向に延びる３組の一対の貫通孔１１及び１３，１５及び１７並びに１９及び２１の一方の貫通孔１１，１５及び１９内に、形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃを配置し、他方の貫通孔１３，１７及び１９内にリード線２３Ａ〜２３Ｃが挿入されている。しかしながらリード線を用いずに、形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃを長くして、他方の貫通孔１３，１７及び１９内にも形状記憶合金線状体２１Ａ〜２１Ｃを挿入配置するようにしてもよい。この場合には、一方の貫通孔１１，１５及び１９と他方の貫通孔１３，１７及び１９との間に位置する形状記憶合金線状体の中間部分を、長尺状本体７に対して固定するようにするのが好ましい。
【００４２】
また上記実施の形態は、本発明のリニアアクチュエータを三次元モーション・ディスプレイ装置に適用したものであるが、本発明のリニアアクチュエータは、三次元モーション・ディスプレイ装置以外の用途にも利用できるのは勿論である。例えば、図３乃至図６を用いて説明したリニアアクチュエータの構造を大型化して、例えばロボットの腕や、指等を動かすアクチュエータとして利用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明によれば、やわらかい動きや生物的な動きを表現することができる三次元モーション・ディスプレイ装置及びその制御方法並びにリニアアクチュエータを提供することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１  装置本体
３  リニアアクチュエータ
５  ベース
７  長尺状本体
１０  線状バネ部材
２１Ａ〜２１Ｃ  形状記憶合金線状体
２３Ａ〜２３Ｃ  リード線
【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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