(57)【要約】【課題】超音波発振素子アレイを用いて超音波を発振することにより、空間に触覚を仮想的に提示する超音波触覚ディスプレイにおいて、触覚の提示能力を低減することなく、使用者によって超音波発振素子アレイが視認されることを防止できる、超音波触覚ディスプレイの提供を課題とする。【解決手段】超音波を発振する超音波発振素子が二次元的に配列された超音波発振素子アレイと、超音波発振素子アレイの超音波出力側に設けられる、大きさが１０〜３００μｍの孔を有する多孔質フィルムと、を有することにより、課題を解決する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を発振する超音波発振素子が二次元的に配列された超音波発振素子アレイと、
前記超音波発振素子アレイの超音波発振側に設けられる、孔の大きさが１０〜３００μｍである多孔質フィルムと、を有することを特徴とする超音波触覚ディスプレイ。
【請求項２】
前記多孔質フィルムが、前記孔として、前記多孔質フィルムを厚さ方向に貫通する貫通孔を有する、請求項１に記載の超音波触覚ディスプレイ。
【請求項３】
前記貫通孔が、前記多孔質フィルムの主面と直交する直線が、前記多孔質フィルムと接触することなく通過できる貫通孔である、請求項２に記載の超音波触覚ディスプレイ。
【請求項４】
前記貫通孔が、直管状である、請求項２または３に記載の超音波触覚ディスプレイ。
【請求項５】
前記直管状の前記貫通孔が、前記多孔質フィルムの主面と直交する、請求項４に記載の超音波触覚ディスプレイ。
【請求項６】
前記多孔質フィルムが金属製である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波触覚ディスプレイ。
【請求項７】
前記超音波発振素子アレイの前記超音波発振素子が出力する超音波の周波数が１０〜１００ｋＨｚである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波触覚ディスプレイ。
【請求項８】
前記多孔質フィルムの開口率が５〜２０％である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の超音波触覚ディスプレイ。
【請求項９】
前記多孔質フィルムが加飾フィルムである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の超音波触覚ディスプレイ。
【請求項１０】
前記多孔質フィルムの孔の大きさが１０〜１００μｍである、請求項１〜９のいずれか１項に記載の超音波触感ディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波の発振によって空間に仮想的な触覚を提示する、超音波触覚ディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の超音波発振素子を配列した超音波発振素子アレイを用いて、超音波発振素子の駆動タイミングを制御することで、発振する超音波の位相を制御して、集中させることにより、空間に仮想的な触覚を提示する超音波触覚ディスプレイ（触覚装置）が、例えば特許文献１に記載されている。
【０００３】
また、特許文献２には、このような超音波触覚ディスプレイにおいて、超音波発振素子アレイを覆うようにカバー部を設け、かつ、カバー部に、超音波発振素子アレイの面積よりも小さい開口を設けた超音波触覚ディスプレイ（触覚提示装置）が記載されている。
特許文献２に記載される超音波触覚ディスプレイによれば、このようなカバー部を設けることにより、触覚を提示する必要が無い位置に超音波を発振して、超音波が使用者に悪影響を与えることを防止できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−０２９８９８号公報
【特許文献２】特開２０１５−０７９２８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２には、一例として、自動車のアームレストに凹部を形成して、この凹部に超音波触覚ディスプレイを設け、超音波発振素子アレイの上部をカメラで撮影して運転者の手を検出し、検出された手の位置に、例えば、インストルメントパネルの表示部におけるメニュー項目に対応する触覚を提示することが記載されている。
また、特許文献２には、これ以外の用途して、アミューズメント施設におけるビデオゲーム中に表示されるメニュー項目の触覚を提示すること、自動車の表示部に果物等の物体を表示して物体表面の手触りを触覚として提示すること、および、自動車の表示部にピアノ等の楽器を表示して楽器の操作感を触覚として提示すること、等も記載されている。
【０００６】
ここで、特許文献１および特許文献２等に記載される従来の超音波触覚ディスプレイは、用途によらず、使用者が超音波発振素子アレイを視認できる状態になっている。
そのため、例えば、特許文献２に記載されるように、超音波触覚ディスプレイを自動車のアームレストに設置した場合には、運転者および搭乗者から超音波発振素子アレイが視認されてしまい、自動車の内装の意匠性を低下してしまう可能性がある。
【０００７】
本発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決することにあり、超音波の発振によって空間に仮想的な触覚を提示する超音波触覚ディスプレイにおいて、十分な触覚の提示能力を有し、かつ、使用者による超音波発振素子アレイの視認を防止できる、超音波触覚ディスプレイを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題を解決するために、本発明は、以下の構成を有する。
［１］  超音波を発振する超音波発振素子が二次元的に配列された超音波発振素子アレイと、
超音波発振素子アレイの超音波発振側に設けられる、孔の大きさが１０〜３００μｍである多孔質フィルムと、を有することを特徴とする超音波触覚ディスプレイ。
［２］  多孔質フィルムが、孔として、多孔質フィルムを厚さ方向に貫通する貫通孔を有する、［１］に記載の超音波触覚ディスプレイ。
［３］  貫通孔が、多孔質フィルムの主面と直交する直線が、多孔質フィルムと接触することなく通過できる貫通孔である、［２］に記載の超音波触覚ディスプレイ。
［４］  貫通孔が、直管状である、［２］または［３］に記載の超音波触覚ディスプレイ。
［５］  直管状の貫通孔が、多孔質フィルムの主面と直交する、［４］に記載の超音波触覚ディスプレイ。
［６］  多孔質フィルムが金属製である、［１］〜［５］のいずれかに記載の超音波触覚ディスプレイ。
［７］  超音波発振素子アレイの超音波発振素子が出力する超音波の周波数が１０〜１００ｋＨｚである、［１］〜［６］のいずれかに記載の超音波触覚ディスプレイ。
［８］  多孔質フィルムの開口率が５〜２０％である、［１］〜［７］のいずれかに記載の超音波触覚ディスプレイ。
［９］  多孔質フィルムが加飾フィルムである、［１］〜［８］のいずれかに記載の超音波触覚ディスプレイ。
［１０］  多孔質フィルムの孔の大きさが１０〜１００μｍである、［１］〜［９］のいずれかに記載の超音波触感ディスプレイ。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、超音波の発振によって空間に仮想的な触覚を提示する超音波触覚ディスプレイにおいて、十分な触覚の提示能力を有し、かつ、使用者によって超音波を発振する超音波発振素子アレイが視認されることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の超音波触覚ディスプレイの一例を概念的に示す図である。
【図２】図１に示す超音波触覚ディスプレイの平面図である。
【図３】図１に示す超音波触覚ディスプレイの多孔質フィルムを概念的に示す断面図である。
【図４】本発明における多孔質フィルムの孔の大きさの測定方法を説明するための概念図である。
【図５】本発明の超音波触覚ディスプレイの別の例を概念的に示す断面図である。
【図６】本発明の超音波触覚ディスプレイの別の例を概念的に示す断面図である。
【図７】本発明の超音波触覚ディスプレイの別の例を概念的に示す断面図である。
【図８】本発明の超音波触覚ディスプレイの別の例を概念的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の超音波触覚ディスプレイについて、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。
【００１２】
本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
また、以下に示す図は、あくまでも本発明を説明するための概念図であって、各部材の位置関係、形状、および、大きさ等は、実際の本発明品とは異なる。
【００１３】
本発明の超音波触覚ディスプレイ（超音波触覚提示装置）は、二次元的に配列された超音波発振素子を有する超音波発振素子アレイを用い、提示する触覚に応じて、タイミングを制御して、超音波発振素子アレイの各超音波発振素子を駆動する。本発明の超音波触覚ディスプレイは、これにより、発振した超音波の位相を制御して超音波を干渉させて、超音波を集中すなわち超音波の焦点を形成して大きな音圧を発生させることで、空間に仮想的な触覚を提示（生成、形成）して、例えば、この空間に位置する手などに、音圧によって何かに触れている触覚（刺激）を与える装置である。
【００１４】
図１および図２に、本発明の超音波触覚ディスプレイの一例を概念的に示す。
図１および図２に示す超音波触覚ディスプレイ１０は、超音波発振素子アレイ１２と、多孔質フィルム１４とを有する。
図１は、本発明の超音波触覚ディスプレイ１０を、多孔質フィルム１４の主面方向に見た図である。図２は、超音波触覚ディスプレイ１０を多孔質フィルム１４の主面と直交する方向（法線方向）に、多孔質フィルム１４側から見た図である。すなわち、図２は、図１における上方から、超音波触覚ディスプレイ１０を見た図（平面図）である。なお、主面とは、シート状物（フィルム、板状物）の最大面である。
以下の説明では、『超音波触覚ディスプレイ』を『触覚ディスプレイ』とも言う。
【００１５】
なお、図示は省略するが、触覚ディスプレイ１０には、超音波発振素子アレイ１２（後述する超音波発振素子２０）を駆動するための駆動手段、駆動手段による超音波発振素子アレイ１２の駆動を制御する制御手段、および、駆動手段と超音波発振素子アレイ１２とを接続する配線等、触覚ディスプレイ１０（超音波発振素子アレイ１２）を駆動し、かつ、駆動を制御するために必要な、各種の部材が設けられる。
また、本発明の触覚ディスプレイは、図示および上述した部材以外にも、必要に応じて、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)カメラおよび赤外線センサなど、触覚の提示領域に存在する物（人物の手など）を検出するためのセンサ、ならびに、液晶表示装置、ヘッドアップディスプレイおよび空間三次元画像表示装置（エアディスプレイ）などの画像表示装置等、超音波によって触覚を提示する公知の各種の触覚ディスプレイに設けられる、各種の公知の部材（装置）を有してもよい。
【００１６】
超音波発振素子アレイ１２は、超音波を発振する超音波発振素子２０を二次元的に配列して、支持体１８で支持してなるものである。
以下の説明では、『超音波発振素子アレイ』を『素子アレイ』とも言う。
図示例の素子アレイ１２は、一例として、図１および図２に示すように、超音波発振素子２０を直交する２方向（Ｘ方向およびＹ方向）に均一に配列した構成を有する。
本発明の超音波触覚ディスプレイ１０において、素子アレイ１２は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（Lead Zirconate Titanate））およびポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ（PolyVinylidene DiFluoride））等を利用して超音波を発振する、公知の超音波発振素子（超音波発振素子、超音波トランスデューサ）２０を、二次元的に配列してなる、公知の素子アレイ１２が、各種、利用可能である。
また、素子アレイ１２は、市販品を利用してもよい。
【００１７】
本発明の触覚ディスプレイ１０において、素子アレイ１２の超音波発振素子２０が発振（出力）する超音波の周波数には、制限はなく、位相制御で超音波を集中すなわち焦点を形成することによって触覚を提示可能な周波数が、各種、利用可能である。
【００１８】
ここで、超音波の周波数の最適値は、提示する触覚が表現する物質、および、触覚ディスプレイ１０を利用する装置等、触覚ディスプレイ１０の用途によって異なる。
提示する触覚の空間解像度を向上するためには、位相制御によって形成する超音波の焦点同士が近い方が好ましい。位相制御による超音波の集中によって形成可能な２つの焦点間の最小距離は、超音波の周波数と反比例する。すなわち、２つの焦点間の距離を小さくするためには、発振する超音波の周波数は高い方が好ましい。一例として、素子アレイ１２が発振する超音波の周波数が４０ｋＨｚの場合には、最小の焦点間距離は約８ｍｍとなる。
一方、音波の音圧が、ほぼ半減する距離は、大気中では周波数の二乗に比例する。すなわち、発振する超音波の周波数が低いほど、超音波が減衰することなく遠くまで伝搬され、素子アレイ１２から離れた位置でも、触覚を提示すことが可能になる。例えば、パワー（エネルギ密度）が１００Ｗ／ｃｍ2の超音波の場合、前述の周波数４０ｋＨｚの超音波は、音圧が半減する距離は約５ｍであるが、周波数が１００ｋＨｚの超音波では約１ｍとなり、１ＭＨｚの超音波では約１ｃｍとなる。
【００１９】
従って、高い空間解像度の触覚を提示できる、超音波の到達距離すなわち触覚を提示可能な触覚ディスプレイ１０からの距離を十分に長くできる等の点で、素子アレイ１２の超音波発振素子２０が発振する超音波の周波数は、１０〜１００ｋＨｚが好ましい。
素子アレイ１２の超音波発振素子２０が発振する超音波の周波数は、１０〜８０ｋＨｚがより好ましい。
【００２０】
なお、触覚ディスプレイ１０において、素子アレイ１２の超音波発振素子２０が発振する超音波の周波数は、固定であっても可変であってもよい。
さらに、触覚ディスプレイ１０において、素子アレイ１２の超音波発振素子２０が発振する超音波の出力も、固定であっても可変であってもよい。
【００２１】
図示例の素子アレイ１２は、超音波発振素子２０を直交する２方向に矩形状に配列したものであるが、本発明は、これに制限はされない。
例えば、素子アレイ１２は、超音波発振素子２０を、円を形成するように二次元的に配列したものでもよく、十字を形成するように二次元的に配列したものでもよく、星型を形成するように二次元的に配列したものでもよい。すなわち、本発明の触覚ディスプレイ１０において、素子アレイ１２は、使用者に提示する触覚の形状等に応じて、各種の形状および絵柄等を形成するように、超音波発振素子２０をパターニングして配列したものでもよい。
【００２２】
本発明の触覚ディスプレイ１０において、素子アレイ１２の超音波発振側には、素子アレイ１２を覆うように、多孔質フィルム１４が設けられる。
本発明において、多孔質フィルム１４は、孔の大きさが１０〜３００μｍの多孔質フィルムである。
図１および図２に示す触覚ディスプレイ１０の多孔質フィルム１４は、一例として、図２、および、図３の主面と直交する方向の断面図に概念的に示すように、多孔質フィルム１４の主面と直交する方向すなわち厚さ方向と平行な円筒状の貫通孔２４を、複数、有する、多孔質フィルムである。すなわち、図示例の多孔質フィルム１４は、主面と直交する直管状の貫通孔２４を、複数、有する多孔質フィルムである。なお、本発明において、貫通孔とは、多孔質フィルム１４を厚さ方向に貫通する孔である。
本発明の触覚ディスプレイ１０は、このような大きさの孔を有する多孔質フィルム１４を用いることにより、超音波の発振によって、空間に仮想的な触覚を提示する触覚ディスプレイにおいて、十分な触覚の提示能力を有し、かつ、使用者によって素子アレイ１２が視認されることを防止して、触覚ディスプレイ１０を利用する各種の装置および自動車の内装等の意匠性を向上できる。
【００２３】
上述したように、複数の超音波発振素子をタイミングを制御して駆動することで、超音波の位相を制御して集中させ、大きな音圧によって空間に仮想的な触覚を提示する触覚ディスプレイが知られている。
このような触覚ディスプレイは、例えば、自動車のインストルメントパネルに表示している項目の触覚を運転者の手に提示する、ビデオゲームに表示される項目の選択スイッチの触覚を提示する等の利用が考えられる。
ところが、従来の触覚ディスプレイでは、（超音波発振）素子アレイが、何も覆われていないので、素子アレイ（超音波発振素子）が使用者に視認されてしまう。そのため、例えば、自動車であれば、触覚ディスプレイをアームレスト、インストルメントパネルおよびダッシュボード等に設置した際に、車内の意匠性を低下させる可能性がある。また、触覚ディスプレイをビデオゲームに利用した際には、ビデオゲーム機の意匠性を低下させる可能性がある。
素子アレイを保護するためのメッシュ状のカバーも知られているが、このようなカバーでは、使用者による素子アレイの視認を十分に防止できない。
【００２４】
一方で、加飾シート等で触覚ディスプレイの素子アレイを覆うことで、使用者によって素子アレイが視認されることを防止できる。
ところが、目的とする触覚の提示領域と、素子アレイとの間に、加飾シートのようなシート状物を設けると、シート状物によって超音波が遮蔽されてしまい、触覚を提示するべき空間まで超音波が伝搬されなくなってしまう。
【００２５】
これに対し、本発明の触覚ディスプレイ１０は、超音波発振素子アレイ１２の超音波発振側に、超音波発振素子アレイ１２を覆うように、孔の大きさが１０〜３００μｍである多孔質フィルム１４を設ける。
大きさが１０〜３００μｍの孔は、人の目で視認することが困難である。そのため、孔の大きさが１０〜３００μｍである多孔質フィルム１４で素子アレイを覆う本発明の触覚ディスプレイ１０は、使用者によって素子アレイ１２が視認されることを防止（抑制）できる。
また、大きさが１０〜３００μｍの孔は、超音波が十分に通過できる孔である。そのため、孔の大きさが１０〜３００μｍである多孔質フィルム１４で素子アレイ１２を覆う本発明の触覚ディスプレイ１０は、超音波が多孔質フィルム１４の孔を通過して、目的とする空間すなわち触覚の提示領域まで伝搬され、使用者に触覚を提示できる。
【００２６】
本発明の触覚ディスプレイ１０において、多孔質フィルム１４の孔の大きさが１０μｍ未満では、超音波発振素子２０が発振した超音波が、多孔質フィルム１４を通過することができず、使用者に十分な触覚を提示できなくなる。
多孔質フィルム１４の孔の大きさが３００μｍを超えると、使用者によって素子アレイ１２が視認されてしまう。
多孔質フィルム１４の孔の大きさは、１０〜２００μｍが好ましく、１０〜１００μｍがより好ましい。
【００２７】
本発明の触覚ディスプレイ１０において、多孔質フィルム１４の孔の大きさは、図４に概念的に示すように測定する。
なお、図４は、主面と直交する円筒状の貫通孔２４を、孔として有する多孔質フィルム１４を例示している。しかしながら、本発明においては、不織布および発泡材等からなる各種の多孔質フィルムも、全く同様にして、孔の大きさを測定すればよい。また、図４は、多孔質フィルム１４の断面図であるが、図４においては、孔の大きさの測定方法を明確にするために、断面を示すハッチは省略する。
【００２８】
まず、多孔質フィルム１４を主面と直交する方向に切断して、その断面を観察する。断面の観察は、想定される貫通孔２４（孔）の大きさ、および、多孔質フィルム１４の厚さ等に応じて、後述する長さの測定が可能なように、目視、光学顕微鏡、および、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope））等によって行えばよい。
次いで、観察した断面において、図４に示すように、多孔質フィルム１４の一方の表面のラインａおよび他方の表面のラインｅ、厚さ方向（主面と直交方向）の中央の一方の表面（ラインａ）に平行なラインｃ、ラインａとラインｃとの厚さ方向の中間でラインａに平行なラインｂ、および、ラインｅとラインｃとの厚さ方向の中間でラインｅに平行なラインｄの、５本のラインａ〜ｅを設定する。
【００２９】
次いで、図４中において、図中最も左の貫通孔２４に例示するように、１つの貫通孔２４に対して、ラインａ〜ラインｅの全てのラインで、ライン上の長さＬを測定する。さらに、貫通孔２４における、ラインａ〜ラインｅのライン上の長さＬの平均値を算出して、この平均値を、貫通孔２４の大きさとする。
なお、形成した断面において貫通孔となっていない孔（多孔質フィルム１４の断面が出ない部分を有する孔）、すなわち、断面において多孔質フィルム１４の一方の表面のみに開口する孔、および、断面において空間（空隙）となっている孔に対しても、同様に長さＬを測定して、平均値を算出して、この孔の大きさとする。従って、この際には、測定されるライン上の長さＬの数は、５未満となる。
【００３０】
本発明においては、同様の貫通孔２４（孔）の大きさの測定を、多孔質フィルム１４において任意に設定した１０の断面において、全ての貫通孔２４に対して行い、大きさを測定した全ての貫通孔２４の平均の大きさを、多孔質フィルム１４の孔の大きさとする。
【００３１】
本発明の触覚ディスプレイ１０において、多孔質フィルム１４は、孔の大きさが１０〜３００μｍであれば、公知の各種の多孔質フィルム（多孔質シート、多孔質板）が利用可能である。
従って、多孔質フィルム１４の開口率、孔の形状、形成材料、および、厚さ等には、制限はない。
【００３２】
本発明の触覚ディスプレイ１０において、多孔質フィルム１４の開口率には、制限はない。多孔質フィルム１４の開口率が高すぎると、多孔質フィルム１４の強度が不十分になる、孔の大きさによっては素子アレイ１２が使用者によって視認されやすくなる等の不都合が生じる可能性がある。逆に、多孔質フィルム１４の開口率が低すぎると、素子アレイ１２の超音波発振素子２０が発振した超音波が多孔質フィルム１４を通過しにくくなる、十分な触感提示を行うことが困難になる場合がある等の不都合が生じる可能性がある。従って、多孔質フィルム１４の開口率は、触覚ディスプレイ１０に要求される性能等に応じて、適宜、設定すればよい。
多孔質フィルム１４の開口率は、５〜２０％が好ましい。
【００３３】
多孔質フィルム１４の開口率は、一例として、以下の方法で測定する。
まず、上述した図４に示す貫通孔２４（孔）の大きさの測定方法と同様に、多孔質フィルム１４の断面において、ラインａ〜ｅを設定する。次いで、全てのラインで、ライン上における全ての貫通孔２４の長さＬを測定する。
次いで、各ライン毎に、全ての貫通孔２４の長さＬを合計して、断面におけるラインの全長ＦＬに対する、長さＬの合計の割合（［長さＬの合計／全長ＦＬ］＊１００）を算出する。さらに、５本のラインａ〜ｅにおける長さＬの合計の割合の平均値を算出する。
同様の長さＬの割合の平均値の算出を、任意に設定した１０の断面で行い、１０の断面における長さＬの割合の平均値の平均を算出し、算出した１０の断面の長さＬの割合の平均値を、多孔質フィルム１４の開口率（［％］）とする。
【００３４】
多孔質フィルム１４の孔の形状にも、制限はない。
従って、多孔質フィルム１４の孔は、貫通孔に制限はされない。すなわち、多孔質フィルム１４は、上述の測定方法で測定した孔の大きさが１０〜３００μｍであれば、後述するように、不織布、発泡スチロール等の発泡材製のフィルム、および、多孔質セラミックのフィルム等、各種の多孔質材からなるフィルムが利用可能である。
また、多孔質フィルム１４の孔となる貫通孔は、主面と直交する直管状に制限はされない。例えば、貫通孔は、図５に概念的に示す貫通孔２４ａのように、主面と直交する方向に対して傾斜する直管状であってもよい。さらに、多孔質フィルム１４の孔となる貫通孔は、直管状にも制限はされず、図６に概念的に示す貫通孔２４ｂのように、屈曲した貫通孔であってもよく、図７に概念的に示す貫通孔２４ｃのように、途中で２つあるいは３以上に分岐する貫通孔であってもよい。
【００３５】
さらに、多孔質フィルム１４の孔となる貫通孔の形状は、図示例の貫通孔２４のような円筒状に制限はされず、三角、四角および六角等の多角形筒状でもよく、楕円筒状形でもよく、不定形の筒状でもよい。
従って、多孔質フィルムは、図８に概念的に示す多孔質フィルム１４ａのように、六角筒状の貫通孔２４ｄを配列した、ハニカム構造のフィルムであってもよい。
【００３６】
本発明の触覚ディスプレイ１０において、多孔質フィルム１４の孔は、貫通孔であるのが好ましい。また、多孔質フィルム１４の孔が貫通孔である場合には、図示例のように直管状であるのがより好ましい。
多孔質フィルムの孔となる貫通孔は、図５に一点鎖線Ｚで概念的に示すように、主面と直交する方向の直線が、多孔質フィルムに接触することなく通過できる貫通孔であるのが、さらに好ましい。この点に関しては、貫通孔が、図６に示すように屈曲する場合でも、図７に示すように分岐する場合でも同様である。
さらに、多孔質フィルム１４の孔は、図示例の貫通孔２４のように、主面と直交または略直交する直管状の貫通孔であるのが、特に好ましい。
【００３７】
本発明の触覚ディスプレイ１０において、多孔質フィルム１４の各孔の厚さ方向の形状、および、主面方向の形状は、均一でも不均一でもよい。
また、多孔質フィルム１４の孔の主面方向の配列は、規則的でも、不規則でもよい。さらに、上述した超音波発振素子２０と同様、本発明の触覚ディスプレイ１０において、多孔質フィルム１４の孔は、使用者に提示する触覚の形状等に応じて、各種の形状および絵柄等を形成するように、パターニングして配列したものでもよい。
なお、多孔質フィルム１４の孔の主面方向の形成密度は、均一でも不均一でもよい。ただし、多孔質フィルム１４における孔の形成密度は、例えば多孔質フィルム１４を均等な面積で８分割した場合など、ある程度の面積のエリアで見た際に、各エリアにおける孔の形成密度が均一または略均一であるのが好ましい。
【００３８】
本発明の触覚ディスプレイ１０において、多孔質フィルム１４の厚さには制限はない。
多孔質フィルム１４は、薄すぎると、強度が不十分になる、透過によって使用者によって素子アレイ１２が視認される等の不都合が生じる可能性がある。また、多孔質フィルム１４は、厚すぎると、素子アレイ１２の超音波発振素子２０が発振した超音波が多孔質フィルム１４を通過しにくくなる等の不都合が生じる可能性がある。従って、多孔質フィルム１４の厚さは、触覚ディスプレイ１０に要求される性能等に応じて、適宜、設定すればよい。
多孔質フィルム１４の厚さは、１０〜１０００μｍが好ましい。
【００３９】
なお、多孔質フィルム１４は、上述の方法で測定した、孔の大きさが１０〜３００μｍであれば、好ましくは、さらに、上述した孔の形状、開口率および厚さの１以上を満たすものであれば、単層であっても、多層構成であってもよい。
【００４０】
本発明の触覚ディスプレイ１０において、多孔質フィルム１４の形成材料には、制限はなく、金属、樹脂、不織布、織布、発泡スチロールなどの発泡材、および、多孔質セラミック等、公知の各種の多孔質材が利用可能である。
中でも、多孔質フィルム１４の形成材料としては、金属（合金を含む）が好適に例示される。すなわち、本発明の触覚ディスプレイにおいては、多孔質フィルム１４として、多孔質の金属箔は、好適に利用される。
金属箔としては、アルミニウム箔、銅箔、銀箔、金箔、白金箔、ステンレス箔、チタン箔、タンタル箔、モリブデン箔、ニオブ箔、ジルコニウム箔、タングステン箔、ベリリウム銅箔、燐青銅箔、黄銅箔、洋白箔、錫箔、鉛箔、亜鉛箔、半田箔、鉄箔、ニッケル箔、パーマロイ箔、ニクロム箔、４２アロイ箔、コバール箔、モネル箔、インコネル箔、および、ハステロイ箔が例示される。金属箔は、単層でも、異なる材料の金属箔を積層したものであってもよい。
【００４１】
多孔質フィルム１４は、市販品を利用しても、公知の方法で作製してもよい。
複数の貫通孔を有する金属箔の多孔質フィルム１４の作製方法としては、一例として、金属箔（金属基材）を陰極として電解処理を行って、表面に水酸化物の皮膜を形成し、次いで、表面に水酸化物皮膜を形成した金属箔を陽極として電解処理を行って、金属箔および水酸化物皮膜に貫通孔を形成し、その後、例えば、金属箔の金属イオンの存在下において酸で処理することで、水酸化物皮膜を除去することによって、複数の貫通孔を有する金属箔の多孔質フィルム１４を作製する方法が例示される。
また、複数の貫通孔を有する多孔質フィルムは、金属箔等のフィルムに、打ち抜き加工を施すことで、作製してもよい。
【００４２】
多孔質フィルム１４は、加飾フィルム（化粧フィルム）であってもよい。多孔質フィルム１４を加飾フィルムとすることにより、触覚ディスプレイ１０の意匠性を向上できる。
加飾フィルムとしては、木目調、金属調、皮革用、マーブル調、パール調、艶消し、石目調、および、布調等、各種の加飾フィルムが利用可能である。
なお、多孔質フィルム１４を加飾フィルムとする方法には、制限はなく、印刷、転写、および、塗布等の公知の方法が、各種、利用可能である。
【００４３】
なお、本発明の触覚ディスプレイ１０において、多孔質フィルム１４は、素子アレイ１２に、接触しても、接触していなくてもよい。
【００４４】
上述したように、本発明の触覚ディスプレイ１０は、使用者に提示する触覚の形状等に応じて、素子アレイ１２の各超音波発振素子２０をタイミングを制御して駆動することにより、超音波発振素子２０が発振した超音波の位相を制御して、超音波を干渉させることで、超音波を集中して焦点を形成して大きな音圧を発生させることで、例えば使用者の手に対して、空間に仮想的な触覚を提示する。
ここで、本発明の触覚ディスプレイ１０は、素子アレイ１２を覆うように、素子アレイ１２の超音波発振側に、孔の大きさが１０〜３００μｍの多孔質フィルム１４を有する。そのため、本発明の触覚ディスプレイ１０は、使用者によって素子アレイ１２を視認されることを防止できると共に、多孔質フィルム１４を有するにも関わらず、超音波発振素子２０が発振した超音波を触覚の提示領域まで到達させて、使用者に触覚を提示できる。
【００４５】
以上、本発明の触覚ディスプレイについて詳細に説明したが、本発明は上述の例に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよいのは、もちろんである。
【実施例】
【００４６】
以下に実施例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、試薬、使用量、物質量、割合、処理内容、および、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
【００４７】
［実施例１］
平均厚さ２０μｍ、幅３００ｍｍ、長さ１０００ｍのロール状のアルミニウム基材を用意した。このアルミニウム基材の表面に、以下に示す処理を施し、多孔質のアルミニウム箔を作製した。
【００４８】
アルミニウム基材は、以下のように作製した。
最初に、９９．９９％アルミ材溶湯に所望の微量成分を添加し、各微量成分の濃度調整を行った後に、ＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｈｉｌｌ）鋳造で厚さ５００ｍｍのスラブを鋳造した。
次いで、得られたスラブの両面を２０ｍｍ、研削した後、５００〜６００℃で熱処理を施した。
次いで、熱処理を施したスラブに熱間圧延を施して厚さを３ｍｍまで圧延した。
次いで、厚さを３ｍｍにした圧延板に、冷間圧延を施すことにより、上述のアルミニウム基材を作製した。
【００４９】
（ａ−１）水酸化アルミニウム皮膜形成処理（皮膜形成工程）
５０℃に保温した電解液（硝酸濃度１％、硫酸濃度０．２％、アルミニウム濃度０．５％）を用いて、作製したアルミニウム基材を陰極として、電気量総和が１０００Ｃ／ｄｍ2の条件下で電解処理を施し、アルミニウム基材に水酸化アルミニウム皮膜を形成した。
電解処理は、直流電源で行った。電流密度は５０Ａ／ｄｍ2とし、電気量は１０００Ｃ／ｄｍ2以上とした。
水酸化アルミニウム皮膜を形成した後、スプレーによる水洗を行った。
【００５０】
（ｂ−１）電解溶解処理（貫通孔形成工程）
次いで、５０℃に保温した電解液（硝酸濃度１％、硫酸濃度０．２％、アルミニウム濃度０．５％）を用いて、水酸化アルミニウム皮膜を形成したアルミニウム基材を陽極として、電気量総和が１０００Ｃ／ｄｍ2の条件下で電解処理を施し、アルミニウム基材および水酸化アルミニウム皮膜に貫通孔を形成した。
電解処理は、直流電源で行った。電流密度は３０Ａ／ｄｍ2とし、電気量は１５００Ｃ／ｄｍ2以上とした。
貫通孔を形成した後、スプレーによる水洗を行い、乾燥した。
【００５１】
（ｃ−１）水酸化アルミニウム皮膜の除去処理（皮膜除去工程）
次いで、貫通孔を形成した、水酸化アルミニウム皮膜を有するアルミニウム基材を、水酸化ナトリウム濃度５質量％、アルミニウムイオン濃度０．５質量％の水溶液（液温３５℃）中に３０秒間浸漬させた後、硝酸１％、アルミニウムイオン濃度０．５質量％の水溶液（液温３０℃）中に２０秒間浸漬させることにより、水酸化アルミニウム皮膜を溶解して、除去した。
その後、スプレーによる水洗を行い、乾燥させることにより、図２に示すような、複数の貫通孔を有する多孔質のアルミニウム箔を作製した。
【００５２】
アルミニウム箔の厚さを、接触膜厚計によって測定したところ、１０μｍであった。
上述した図４に示す方法で、アルミニウム箔の孔の大きさおよび開口率を測定した。その結果、アルミニウム箔の孔の大きさは１０μｍ、開口率は１０％であった。なお、主面と直交する方向のアルミニウム箔の切断は、ミクロトームで行った。また、断面の観察は、ＳＥＭで行った。
貫通孔は、殆どが、アルミニウム箔の主面に対して直交する円筒状であった。
【００５３】
作製した多孔質のアルミニウム箔を多孔質フィルムとして用いて、図１に示すような触覚ディスプレイを作製した。
素子アレイは、ウルトラハプティクス（ultrahaptics）社製のＵＨＤＫ５を用いた。多孔質フィルムは、素子アレイの超音波発振側に、全ての超音波発振素子を覆うように、覆いかぶせた。
【００５４】
［実施例２］
平均厚さ２０μｍ、大きさ２００ｍｍ×３００ｍｍのアルミニウム基材（ＪＩＳ  Ｈ−４１６０、合金番号：１０８５−Ｈ、アルミニウム純度：９９．８５％）を用意した。このアルミニウム基材の表面に、以下に示す処理を施し、多孔質のアルミニウム箔を作製した。
【００５５】
（ａ−２）水酸化アルミニウム皮膜形成処理（皮膜形成工程）
５０℃に保温した電解液（硝酸濃度１％、硫酸濃度０．２％、アルミニウム濃度０．５％）を用いて、上述のアルミニウム基材を陰極として電解処理を施し、アルミニウム基材に水酸化アルミニウム皮膜を形成した。電解処理は直流電源で行った。電流密度は４０Ａ／ｄｍ2とし、３０秒間の電解処理を行った。
水酸化アルミニウム皮膜を形成した後、スプレーによる水洗を行った。
【００５６】
（ｂ−２）電解溶解処理（貫通孔形成工程）
次いで、５０℃に保温した電解液（硝酸濃度１％、硫酸濃度０．２％、アルミニウム濃度０．５％）を用いて、水酸化アルミニウム皮膜を形成したアルミニウム基材を陽極として、電気量総和が１０００Ｃ／ｄｍ2の条件下で電解処理を施し、アルミニウム基材および水酸化アルミニウム皮膜に貫通孔を形成した。電解処理は直流電源で行った。電流密度は２２Ａ／ｄｍ2とした。
貫通孔の形成後、スプレーによる水洗を行い、乾燥した。
【００５７】
（ｃ−２）水酸化アルミニウム皮膜の除去処理（皮膜除去工程）
次いで、貫通孔を形成した、酸化アルミニウム皮膜を有するアルミニウム基材を、水酸化ナトリウム濃度５質量％、アルミニウムイオン濃度０．５質量％の水溶液（液温３５℃）中に３０秒間浸漬した後、硫酸濃度３０％、アルミニウムイオン濃度０．５質量％の水溶液（液温５０℃）中に２０秒間浸漬させることにより、水酸化アルミニウム皮膜を溶解し除去した。
アルミニウム皮膜の除去後、スプレーによる水洗を行い、乾燥させることにより、図２に示すような、複数の貫通孔を有する多孔質のアルミニウム箔を作製した。
【００５８】
作製した多孔質のアルミニウム箔について、実施例１と同様に、厚さ、孔の大きさ、および、開口率を測定した。その結果、厚さは２０μｍ、孔の大きさは５０μｍ、開口率は２０％であった。
貫通孔は、殆どが、主面に対して直交する円筒状であった。
【００５９】
作製した多孔質のアルミニウム箔を多孔質フィルムとして用いて、実施例１と同様に触覚ディスプレイを作製した。
【００６０】
［実施例３および実施例４］
国際公開第２００８／０７８７７７号に記載された方法に従い、図２に示すような、複数の貫通孔を有する多孔質のアルミニウム箔を、２種、作製した。
具体的には、硬質アルミニウム箔に対して、円形のパンチングダイにより機械的に貫通孔を形成し、複数の貫通孔を有する多孔質のアルミニウム箔を作製した。
【００６１】
作製した多孔質のアルミニウム箔について、実施例１と同様に、厚さ、孔の大きさ、および、開口率を測定した。その結果、
一方のアルミニウム箔は、厚さは７０μｍ、孔の大きさは１００μｍ、開口率は１０％（実施例３）、
他方のアルミニウム箔は、厚さは２００μｍ、孔の大きさは３００μｍ、開口率は５％（実施例４）、であった。
２種の多孔質のアルミニウム箔は、共に、貫通孔は、殆どが、主面に対して直交する円筒状であった。
【００６２】
作製した多孔質のアルミニウム箔を多孔質フィルムとして用いて、実施例１と同様に、２種の触覚ディスプレイを作製した。
【００６３】
［実施例５］
平均厚さ１０μｍ、大きさ２００ｍｍ×３００ｍｍのアルミニウム基材（ＪＩＳ Ｈ−４１６０、合金番号：１０８５−Ｈ、アルミニウム純度：９９．８５％）を用意した。
このアルミニウム記載の一方の表面に、特開２０１３−１２１６７３号公報に記載された方法で、厚さ１２５μｍのＰＥＴ（polyethylene terephthalate）フィルムを樹脂層としてラミネートした。
【００６４】
（ａ−３）水酸化アルミニウム皮膜形成処理（皮膜形成工程）
５０℃に保温した電解液（硝酸濃度１％、硫酸濃度０．２％、アルミニウム濃度０．５％）を用いて、作製したアルミニウム基材と樹脂層との積層体に、アルミニウム基材を陰極として電解処理を施し、アルミニウム基材に水酸化アルミニウム皮膜を形成した。なお、電解処理は直流電源で行った。電流密度は５５Ａ／ｄｍ2とし、１０秒間の電解処理を行った。
【００６５】
（ｂ−３）電解溶解処理（貫通孔形成工程）
次いで、５０℃に保温した電解液（硝酸濃度１％、硫酸濃度０．２％、アルミニウム濃度０．５％）を用いて、水酸化アルミニウム皮膜を形成したアルミニウム基材を陽極として、電気量総和が４００Ｃ／ｄｍ2の条件下で電解処理を施し、アルミニウム基材および水酸化アルミニウム皮膜に貫通孔を形成した。電解処理は直流電源で行った。電流密度は３５Ａ／ｄｍ2とした。なお、ＰＥＴフィルムには、貫通孔は形成されなかった。
貫通孔を形成した後、スプレーによる水洗を行い、乾燥した。
【００６６】
次いで、実施例２の（ｃ−２）の『（皮膜除去工程）』と同様にして、水酸化アルミニウム皮膜を除去した後、ＰＥＴフィルムを剥離し、スプレーによる水洗を行い、乾燥させることにより、図２に示すような、複数の貫通孔を有する多孔質のアルミニウム箔を作製した。
【００６７】
作製した多孔質のアルミニウム箔について、実施例１と同様に、厚さ、孔の大きさ、および、開口率を測定した。その結果、厚さは１０μｍ、孔の大きさは１０μｍ、開口率は５％であった。
貫通孔は、殆どが、主面に対して直交する円筒状であった。
【００６８】
作製した多孔質のアルミニウム箔を多孔質フィルムとして用いて、実施例１と同様に触覚ディスプレイを作製した。
【００６９】
［実施例６〜９および比較例１］
実施例３および実施例４と同様にして、図２に示すような、複数の貫通孔を有する多孔質のアルミニウム箔を、５種、作製した。
【００７０】
作製した多孔質のアルミニウム箔について、実施例１と同様に、厚さ、孔の大きさ、および、開口率を測定した。その結果、
１枚のアルミニウム箔は、厚さは１０００μｍ、孔の大きさは１００μｍ、開口率は２０％（実施例６）、
もう１枚のアルミニウム箔は、厚さは２００μｍ、孔の大きさは３００μｍ、開口率は４％（実施例７）、
もう１枚のアルミニウム箔は、厚さは２００μｍ、孔の大きさは５０μｍ、開口率は２０％（実施例８）、
もう１枚のアルミニウム箔は、厚さは２００μｍ、孔の大きさは５０μｍ、開口率は３０％（実施例９）、
さらに、もう１枚のアルミニウム箔は、厚さは１０００μｍ、孔の大きさは４００μｍ、開口率は２０％（比較例１）、であった。
５種の多孔質のアルミニウム箔は、共に、貫通孔は、殆どが、主面に対して直交する円筒状であった。
【００７１】
作製した多孔質のアルミニウム箔を多孔質フィルムとして用いて、実施例１と同様に、３種の触覚ディスプレイを作製した。
【００７２】
［比較例２］
国際公開第２００８／０７８７７７号に記載された方法に従い、図２に示すような、複数の貫通孔を有する多孔質のアルミニウム箔を作製した。
具体的には、硬質アルミニウム箔の表面に、レジスト印刷でパターンを形成し、アルカリ処理液で化学的なエッチング処理を施すことにより、複数の貫通孔を有する多孔質のアルミニウム箔を作製した。
【００７３】
作製したアルミニウム箔について、実施例１と同様に、アルミニウム箔の厚さ、アルミニウム箔の孔の大きさ、および、開口率を測定した。その結果、厚さは１００μｍ、孔の大きさは４００μｍ、開口率は３０％であった。
貫通孔は、殆どが、主面に対して直交する円筒状であった。
【００７４】
作製した多孔質のアルミニウム箔を多孔質フィルムとして用いて、実施例１と同様に触覚ディスプレイを作製した。
【００７５】
［実施例１０および比較例３］
実施例３および実施例４と同様にして、図２に示すような、複数の貫通孔を有する多孔質のアルミニウム箔を、２種、作製した。
【００７６】
作製した多孔質のアルミニウム箔について、実施例１と同様に、厚さ、孔の大きさ、および、開口率を測定した。その結果、
１枚のアルミニウム箔は、厚さは２００μｍ、孔の大きさは１０μｍ、開口率は１０％（実施例１０）、
もう１枚のアルミニウム箔は、厚さは２００μｍ、孔の大きさは５μｍ、開口率は１０％（比較例３）、であった。
２種の多孔質のアルミニウム箔は、共に、貫通孔は、殆どが、主面に対して直交する円筒状であった。
【００７７】
作製した多孔質のアルミニウム箔を多孔質フィルムとして用いて、実施例１と同様に、２種の触覚ディスプレイを作製した。
【００７８】
［評価］
このようにして作製した触覚ディスプレイに関して、素子アレイの視認性および触覚提示性について評価した。
【００７９】
＜素子アレイの視認性＞
触覚ディスプレイを目視で観察して、素子アレイの視認性を評価した。
素子アレイが全く見えない場合をＡ、
素子アレイが、若干、見えるが気にならない場合をＢ、
素子アレイが明らかに見える場合をＣ、と評価した。
【００８０】
＜触覚提示性＞
素子アレイを駆動することにより、触覚ディスプレイの上２０ｃｍの位置に、触覚を提示した。素子アレイの超音波発振素子が発振する超音波の周波数は４０ｋＨｚ、出力（エネルギ密度）は１００Ｗ／ｃｍ2である。
触覚を提示した状態で、触覚ディスプレイの上２０ｃｍの位置に手をおいて、触覚を確認して、評価を行った。
触覚をはっきり感じる場合をＡ、
触覚を感じる場合をＢ、
触覚を全く感じない場合をＣ、と評価した。
結果を下記の表に示す。
【００８１】
【表１】
2019207488.tif 000003
【００８２】
表１に示されるように、多孔質フィルムの孔の大きさが１０〜３００μｍである本発明の触覚ディスプレイは、素子アレイの視認を防止できると共に、良好な触覚提示性を有している。また、実施例８および実施例９に示されるように、多孔質フィルムの開口率を２０％以下とすることにより、素子アレイの視認性をより好適に低下できる。さらに、実施例４および実施例７に示されるように、多孔質フィルムの開口率を５％以上とすることにより、触覚提示性をより好適に向上できる。さらに、実施例４および実施例７と、他の実施例とに示されるように、孔の大きさを１００μｍ以下とすることにより、素子アレイの視認性をより好適に低下できる。
これに対して、多孔質フィルムの孔の大きさが３００μｍを超える比較例１および２は、素子アレイが明らかに視認されている。また、多孔質フィルムの孔の大きさが１０μｍ未満である比較例３は、触覚を提示することができない。
以上の結果より、本発明の効果は明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
自動車および装置などに利用される空間三次元表示等に対応する触覚の提示に、好適に利用可能である。
【符号の説明】
【００８４】
１０  （超音波）触覚ディスプレイ
１２  （超音波発振）素子アレイ
１４，１４ａ  多孔質フィルム
１８  支持体
２０  超音波発振素子
２４，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ  貫通孔
【図１】
2019207488.tif 000004
【図２】
2019207488.tif 000005
【図３】
2019207488.tif 000006
【図４】
2019207488.tif 000007
【図５】
2019207488.tif 000008
【図６】
2019207488.tif 000009
【図７】
2019207488.tif 000010
【図８】
2019207488.tif 000011