(57)【要約】【課題】触知ピン１０群の突出状態の保持にエネルギーを使わず、携帯可能な程度に小型軽量な二次元触覚ディスプレイ１００を提供すること。【解決手段】二次元触覚ディスプレイ１００において、触覚ディスプレイ用ピンラッチ機構１は、側面１０Ｓを縦方向Ｌに沿って貫通する貫通孔１１が形成されている複数の触知ピン１０と、触知ピン１０の各々を垂直方向Ｖに沿って動かすことができるアクチュエータ５０〜７０とを備え、触知ピン１０は、縦方向Ｌに沿って貫通孔１１を通過するように配置され、横方向Ｃに沿って移動することができるように触覚ディスプレイ１００に取り付けられている支持棒２０とを具備し、支持棒２０は、貫通孔１１内の壁面１２に接触するように配置され、貫通孔１１は、上部支点１１ａから最下部１１ｂに向かって延びた後、最下部１１ｂから垂直方向Ｖの上側Ｖ１に向かって延びて下部支点１１ｃに到達する形状を有し、下部支点１１ｃは、上部支点１１ａよりも垂直方向Ｖの下側Ｖ２に位置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準面に触覚ディスプレイ用ピンラッチ機構を縦方向及び横方向に配列した触覚ディスプレイであって、
前記触覚ディスプレイ用ピンラッチ機構は、
前記基準面の前記縦方向及び前記横方向に沿って垂直方向に突出可能な構成で配置されており、前記垂直方向に沿って起立する側面を有しており、且つ、前記側面を前記縦方向に沿って貫通する貫通孔が形成されている複数の触知ピンと、
前記複数の触知ピンの各々を前記垂直方向に動かすように構成されているアクチュエータと、を備え、
前記触知ピンは、前記表示面の前記縦方向に沿って前記貫通孔を通過するように配置されており、且つ、前記貫通孔の形状に沿って前記横方向に移動できるように当該触覚ディスプレイに取り付けられている支持棒を具備しており、
前記支持棒は、前記貫通孔内の壁面に沿って接触するように配置されており、
前記貫通孔は、前記貫通孔の前記垂直方向の最上部である上部支点から前記貫通孔の前記垂直方向の最下部に到達し、前記最下部から折り返して前記垂直方向の上側に向かって延びる下部支点に到達し、
前記下部支点は、前記上部支点よりも前記垂直方向の下側に位置する形状を有することを特徴とする触覚ディスプレイ。
【請求項２】
前記貫通孔の前記最下部における前記垂直方向の上側の前記壁面と前記支持棒は、滑らかに線接触するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の触覚ディスプレイ。
【請求項３】
前記触知ピンの前記貫通孔の形状は、滑らかな凹型形状を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の触覚ディスプレイ。
【請求項４】
前記アクチュエータは、少なくとも、積層型圧電バイモルフアクチュエータ、高圧に保った空気や水等の流体を弁の開け閉めによって瞬間的に放出する方式、又は、コイル及び電磁石の相互作用により瞬間的に電磁石を駆動させる方式のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の触覚ディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触覚ディスプレイに関し、特に、触知ピンを上下に動作させることで突起を作り出し、複数の突起の相対位置を認知させることで図形を想像させる二次元触覚ディスプレイにおける触知ピンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、触覚により知覚することができる触知ピンを使って情報を提示する触覚ディスプレイが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
かかる技術として、例えば、図やグラフの特徴部分にあたる触知ピンを電気機械的に動作させ、図やグラフの頂点と線分を凸点の集合として表現する二次元触覚ディスプレイが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
かかる触覚ディスプレイでは、これにコンピュータを併用して、文字や地図等の特徴部分を動的に表示したり消去したりすることで、時間的に表示内容を変化させることができる。
【０００５】
具体的には、温度変化によって動作する形状記憶合金バネにより触知ピンの突出状態を変化させ触覚を介して図形を認識させることができる触覚ディスプレイや、弾性体の変形により触知ピンの突出状態を変化させる機構が知られている。（例えば、特許文献３及び特許文献４参照）。
【０００６】
ここで、上述の技術において、上述の触知ピンの動作機構として、例えば、形状記憶合金バネに与える熱量、若しくは、かかる形状記憶合金バネそのものに電流を流して発生させる熱量によって、かかる形状記憶合金バネを伸縮させ、上述の触知ピンを駆動する方式も知られている（例えば、特許文献５及び特許文献６参照）。
【０００７】
また、上述の触知ピンの動作機構において、例えば、バイモルフ型の圧電素子では、かかる圧電素子に印加する電圧及び電気信号のパターンを変更することにより、かかる触知ピンに対して発生させる力及びかかる触知ピンの変位速度等を変更することができ、且つ、かかる突起物の静止動作を行うこともできる。
【０００８】
他にも、上述の触知ピンを駆動する方式として、ステッピングモーターやソレノイドや熱電対に用いられるバイメタルやアクチュエータを駆動源に用いて、触知ピンの集合群を１秒間に数回の機械的振動を皮膚に与えて情報を提示する方式が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第１４７６６２２号
【特許文献２】実開平３-１４６７５４
【特許文献３】特許第３６８４５５２号
【特許文献４】特許第４４０２３８９号
【特許文献５】特許第３１６９８２２号
【特許文献６】特開昭５９-１９８４８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
触覚ディスプレイは、人が突起物を図形として想像、認知するために触察する一定の時間、上述の触知ピン群の突出状態を保持する必要がある。
【００１１】
しかしながら、上述の多くの方式では、突起物の突出状態を保持するために一定の電力を要するという問題点があった。また、突出状態の保持に電力を要しない例えば形状記憶合金バネを用いた方式は、触察時に突起が上下し、固定が難しいという問題点があった。このため、低消費電力で安定的に上述の触知ピン群の突出状態を保持しつつ携帯可能な程度に小型軽量なシステムの実現が困難であった。
【００１２】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、上述の触知ピン群の突出状態の保持にエネルギーを使わず、携帯可能な程度に小型軽量な触覚ディスプレイ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】
本発明の第１の特徴は、基準面に触覚ディスプレイ用ピンラッチ機構を縦方向及び横方向に配列した触覚ディスプレイであって、前記触覚ディスプレイ用ピンラッチ機構は、前記基準面の前記縦方向及び前記横方向に沿って垂直方向に突出可能な構成で配置されており、前記垂直方向に沿って起立する側面を有しており、且つ、前記側面を前記縦方向に沿って貫通する貫通孔が形成されている複数の触知ピンと、前記複数の触知ピンの各々を前記垂直方向に動かすように構成されているアクチュエータと、を備え、前記触知ピンは、前記表示面の前記縦方向に沿って前記貫通孔を通過するように配置されており、且つ、前記貫通孔の形状に沿って前記横方向に移動できるように当該触覚ディスプレイに取り付けられている支持棒を具備しており、前記支持棒は、前記貫通孔内の壁面に沿って接触するように配置されており、前記貫通孔は、前記貫通孔の前記垂直方向の最上部である上部支点から前記貫通孔の前記垂直方向の最下部に到達し、前記最下部から折り返して前記垂直方向の上側に向かって延びる下部支点に到達し、前記下部支点は、前記上部支点よりも前記垂直方向の下側に位置する形状を有することを要旨とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、上述の触知ピン群の突出状態の保持にエネルギーを使わず、携帯可能な程度に小型軽量な触覚ディスプレイを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る触覚ディスプレイ用ピンラッチ機構１の全体概略の一例を示す図ある。
【図２】図２は、第１の実施形態に係る触覚ディスプレイ用ピンラッチ機構１を構成する触知ピン１０の構成の一例を示す図である。
【図３】図３は、第１の実施形態に係る触覚ディスプレイ用ピンラッチ機構１を構成する触知ピン１０の配置の一例を示す図である。
【図４】図４は、第１の実施形態に係る触覚ディスプレイ用ピンラッチ機構１を構成する触知ピン１０の動作の一例を示す図である。
【図５】図５は、第１の実施形態に係る触覚ディスプレイ用ピンラッチ機構１を構成する触知ピン１０の動作の一例を示す図である。
【図６】図６は、第１の実施形態に係る触覚ディスプレイ用ピンラッチ機構１を構成する触知ピン１０の動作の一例を示す図である。
【図７】図７は、第１の実施形態に係る触覚ディスプレイ用ピンラッチ機構１の動作の一例を示す図である。
【図８】図８は、第１の実施形態に係る二次元触覚ディスプレイ１００の全体概略の一例を示す図ある。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（第１の実施形態）
以下、図１〜図８を参照して、本発明の第１の実施形態に係る二次元触覚ディスプレイ１００について説明する。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態に係る二次元触覚ディスプレイ１００において、触覚ディスプレイ用ピンラッチ機構１は、人が触察時に突起の有無を判断する基準となる基準面２を有しており、触知ピン１０を通ずる孔を持つ筐体３０と、基準面２に対して垂直方向（鉛直方向）Ｖに移動する触知ピン１０とを有している。
【００１８】
触覚ディスプレイ用ピンラッチ機構１は、触知ピン１０を垂直方向Ｖに沿って上下に移動することにより、その基準面２から突出量Ｈ１だけ上側に突出している「突出状態」（図１（ａ）に対応）及び基準面２と同じ高さ又は基準面２よりも移動量Ｈ２だけ下に位置する「非突出状態」（図１（ｂ）に対応）の２つの状態のいずれかとなるように構成されている。
【００１９】
また、触知ピン１０の突出量Ｈ１は、人に知覚される程度の突出量を有しており、指からの押力に降伏しないことで、上述した突出状態を保持できるように構成されている。
【００２０】
触知ピン１０の突出状態は、支持棒２０によって保持される。支持棒２０は、触知ピン１０に作られた貫通孔１１を貫くように配置されている。
【００２１】
ここで、支持棒２０は、貫通孔１１の端面である上部支点１１ａに接することで触知ピン１０の下への動きを不可能とし、触知ピン１０を非突出状態に固定するように構成されている。
【００２２】
或いは、支持棒２０は、貫通孔１１の端面である下部支点１１ｃに接することで触知ピン１０の下への動きを不可能とし、触知ピン１０を突出状態に固定するように構成されている。
【００２３】
上述の突出量Ｈ１は、支持棒２０の延長方向から触知ピン１０を見たとき、上部支点１１ａと下部支点１１ｃとの間の垂直方向Ｖの高さの差に等しく、この差を設計によって変えることで、かかる突出量Ｈ１を変化させることができる。
【００２４】
触知ピン１０を非突出状態から突出状態に変化させるためには、アクチュエータ５が必要となり、市販されている積層型を含む圧電バイモルフ型と同程度の電力を必要とするが、突出状態を維持するための電力は不要となる。
【００２５】
同じく突出状態から非突出状態に変化させるためには、市販されている積層型を含む圧電バイモルフ型で非突出状態から突出状態へ変化させる場合と同程度の電力を必要とするが、非突出状態を維持するための電力は不要である。
【００２６】
例えば、本実施形態において、触知ピン１０の突出量Ｈ１を０.３ｍｍとし、触知ピン１０の縦方向Ｌ及び横方向Ｗの長さを５ｍｍ（上から見たら正方形)としたとき、触知ピン１０の突出状態において触知ピンの保持力を１Ｎ以上とすることが必要である。
【００２７】
図２は、触知ピン１０及び支持棒２０に着目した図である。触知ピン１０は、垂直方向Ｖに沿って起立している側面１０Ｓを有している。ここで、触知ピン１０は、図２に示すような直方体形状であってもよいし、円柱状等の他の形状であってもよい。
【００２８】
また、触知ピン１０には、側面１０Ｓを横方向Ｗに向かって貫通する貫通孔１１が形成されている。
【００２９】
ここで、貫通孔１１は、図２に示すように、貫通孔１１の垂直方向Ｖの最上部である上部支点１１ａから貫通孔１１の垂直方向Ｖの最下部１１ｂに向かって延びた後、かかる最下部１１ｂから垂直方向Ｖの上側Ｖ１に向かって延びて下部支点１１ｃに到達する形状を有している。
【００３０】
なお、下部支点１１ｃは、上部支点１１ａよりも垂直方向Ｖの下側Ｖ２に位置する。ここで、上部支点１１ａと下部支点１１ｃとの間の垂直方向Ｖの高さの差分は、触知ピン１０の突出量に該当する。
【００３１】
例えば、貫通孔１１は、上述の形状として、上部支点１１ａと最下部１１ｂとを結ぶ長い直線部分と、最下部１１ｂと下部支点１１ｃとを結ぶ短い直線部分と、両直線部分を結ぶ滑らかな曲線部分とからなる形状を有している。
【００３２】
また、図１に示すように、触知ピン１０は、触覚ディスプレイ用ピンラッチ機構１内に設けられている筐体３０によって保持されるように構成されている。
【００３３】
また、筐体３０に、支持棒２０を縦方向Ｌに沿って移動可能とするための溝３１が形成されており、支持棒２０は、かかる溝３１に従って、縦方向Ｌに沿って移動することができる。かかる溝３１の縦方向Ｌの長さは、触知ピン１０の貫通孔１１の幅よりも大きい。
【００３４】
なお、本実施形態に係る触覚ディスプレイ用ピンラッチ機構１では、支持棒２０そのものには、アクチュエータ５としての機能が設けられておらず、支持棒２０が触知ピン１０に取り付けられることにより、アクチュエータ５の駆動に追随して動作する。
【００３５】
図１に示すように、支持棒２０は、横方向Ｗに沿って貫通孔１１を通過するように配置されている。すなわち、支持棒２０の横方向Ｗの長さは、貫通孔１１の長さよりも長くなるように構成されている。なお、触知ピン１０の支持棒２０は、それぞれ独立して動くことができる。
【００３６】
ここで、支持棒２０は、図２に示すように、貫通孔１１内の壁面１２に精密に接触し、触知ピン１０が滑らかに移動するように精密に加工されて配置されている。
【００３７】
なお、図２に示すように、最下部１１ｂにおける垂直方向Ｖの上側Ｖ１の壁面１２ａと支持棒２０とは、滑らかに線接触するように構成されている。例えば、かかる壁面１２ａは、垂直方向Ｖの下側Ｖ２に突き出た凸部の形状を有していてもよいし、垂直方向Ｖの下側Ｖ２に向けて凸となる滑らかな曲線形状を有していてもよい。
【００３８】
アクチュエータ５（５０〜７０）は、複数の触知ピン１０の各々を垂直方向Ｖの上側Ｖ１方向に変位（移動力）を与えるように構成されている。
【００３９】
例えば、図３（ａ）に示すように、アクチュエータ５０は、電磁力で動作する電磁石５１と、永久磁石５２とによって構成されていてもよい。具体的には、図３（ａ）に示すように、アクチュエータ５０は、触知ピン１０の底部に永久磁石５２を貼り付け、かかる永久磁石５２の垂直方向Ｖの下側Ｖ２に電磁石５１を配置することによって構成されていてもよい。かかる構成によれば、電磁石５１を永久磁石５２と反発するように駆動することで、触知ピン１０を垂直方向Ｖの上側Ｖ１に向けて押し上げることができる。
【００４０】
或いは、図３（ｂ）に示すように、アクチュエータ６０は、触知ピン１０の垂直方向Ｖの下側Ｖ２に、磁性の無い棒状の材料６１の一部に、例えば、鉄等の軟磁性体からなる材料６２を配した部材を内包又は中間部に位置するように加工し、電磁力により磁場を発生させるコイル６３の中に、かかる部材を配置することによって構成されていてもよい。かかる構成によれば、コイル６３に電流を流すことで、かかる軟磁性体等の材料６２が、コイル６３が発生する磁場に引き寄せられ、その結果、棒状の材料６２が直線的に動作し、触知ピン１０の底部を叩くことができる。
【００４１】
或いは、図３（ｃ）に示すように、アクチュエータ７０は、高圧に保った空気や水等の流体を弁７１の開け閉めによって瞬間的に放出し、かかる圧力で触知ピン１０を動作させるように構成されていてもよい。
【００４２】
すなわち、アクチュエータ５０〜７０は、少なくとも、積層型圧電バイモルフアクチュエータ（例えば、図３（ａ）参照）、高圧に保った空気や水等の流体を弁７１の開け閉めによって瞬間的に放出する方式（例えば、図３（ｃ）参照）、又は、コイル６３及び電磁石６１/６２の相互作用により瞬間的に電磁石６１/６２を駆動させる方式（例えば、図３（ｂ）参照）のいずれかである。
【００４３】
次に、図４〜図６を参照して、アクチュエータ５０〜７０から一方向の移動力（外力）が加えられた場合の触知ピン１０の挙動について説明する。
【００４４】
図４（ａ）及び図５（ａ）において、支持棒２０は、貫通孔１１の下部支点１１ｃにあり、触知ピン１０は、突出状態（状態１）が維持されている。かかる突出状態において、アクチュエータ５０〜７０からの外力は加えられていない（すなわち、アクチュエータ５０〜７０において電力は消費されていない）。
【００４５】
図４（ｂ）及び図５（ｂ）において、アクチュエータ５０〜７０からの外力によって、状態１から触知ピン１０を垂直方向Ｖの上側Ｖ１に移動させると、支持棒２０は、最下部１１ｂと下部支点１１ｃとを結ぶ短い直線部分に接触している状態では、第２方向Ｌに移動しないが、最下部１１ｂ周辺（すなわち、上述の曲線部分）に差し掛かると、貫通孔１１の壁面１２に押されて第２方向Ｌの右側への移動を開始する。
【００４６】
図４（ｃ）及び図５（ｃ）において、支持棒２０は、最下部１１ｂに到達したときには、支持棒２０の慣性力で、その直前まで押されて変位した第２方向Ｌの右側に向かう速度を有していることから、そのまま、最下部１１ｂと上部支点１１ａとを結ぶ長い直線部分側に入り込む。
【００４７】
図４（ｄ）及び図５（ｄ）において、突起物１１が落下を始めると、支持棒２０は、かかる長い直線部分と接触した状態で、貫通孔１１の上部支点１１ａを支えて突起物１１の動作を止め、非突出状態（状態２）となる。
【００４８】
図６（ａ）において、支持棒２０は、貫通孔１１の上部支点１１ａにあり、触知ピン１０は、非突出状態（状態２）が維持されている。かかる非突出状態において、アクチュエータ５０〜７０からの外力は加えられていない（すなわち、アクチュエータ５０〜７０において電力は消費されていない）。
【００４９】
図６（ｂ）において、アクチュエータ５０〜７０からの外力によって、状態２から触知ピン１０を垂直方向Ｖの上側Ｖ１に移動させると、支持棒２０は、最下部１１ｂと上部支点１１ａとを結ぶ長い直線部分に接触している状態では、第２方向Ｌに移動しないが、最下部１１ｂ周辺（すなわち、上述の曲線部分）に差し掛かると、貫通孔１１の壁面１２ａに押されて第２方向Ｌの左側への移動を開始する。
【００５０】
図６（ｃ）において、支持棒２０は、最下部１１ｂに到達したときには、支持棒２０の慣性力で、その直前まで押されて変位した第２方向Ｌの左側に向かう速度を有していることから、そのまま、最下部１１ｂと下部支点１１ｃとを結ぶ短い直線部分側に入り込む。
【００５１】
図６（ｄ）において、突起物１１が落下を始めると、支持棒２０は、かかる短い直線部分と接触した状態で、貫通孔１１の下部支点１１ｃを支えて突起物１１の動作を止め、突出状態（状態１）となる。
【００５２】
次に、図７を参照して、本実施形態に係る触覚ディスプレイ用ピンラッチ機構１において触知ピン１０を動作させるアルゴリズムの概要について説明する。
【００５３】
図７に示すように、本実施形態に係る触覚ディスプレイ用ピンラッチ機構１は、ステップＳ１０１において、アクチュエータ５０〜７０に対して、触知ピン１０に対して一方向の外力を加えるように指示する。
【００５４】
ステップＳ１０２において、アクチュエータ５０〜７０が、触知ピン１０の突出状態及び非突出状態のスイッチングを行うために、触知ピン１０に対して一方向の外力を加える。
【００５５】
ステップＳ１０３において、触知ピン１０は、図４〜図６に示す動作を行うことで、突出状態及び非突出状態のスイッチングを行う。
【００５６】
本実施形態に係る触覚ディスプレイ用ピンラッチ機構１によれば、低消費電力で安定的に触知ピン１０の突出状態を保持しつつ携帯可能な程度に小型軽量な二次元触覚ディスプレイ１００を提供することができる。
【００５７】
図８は、触覚ディスプレイ用ラッチ機構１を縦方向Ｌに１０列、横方向Ｗに５列並べた二次元触覚ディスプレイ１００の一例を示す。
【００５８】
また、本実施形態に係る触覚ディスプレイ用ピンラッチ機構１によれば、単純に触知ピン１０を一方向の外力によって動作させることができるため、外部エネルギーを使うことなく触知ピン１０の突出状態（及び、非突出状態）を保持することができる。
【００５９】
（その他の実施形態）
上述のように、本発明について、上述した実施形態によって説明したが、かかる実施形態における開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。かかる開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【符号の説明】
【００６０】
１…触覚ディスプレイ用ピンラッチ機構
２…基準面
１０…触知ピン
１０Ｓ…側面
１１…貫通孔
１１ａ…上部支点
１１ｂ…最下部
１１ｃ…下部支点
１２、１２ａ…壁面
２０…支持棒
３０…筐体
３１…溝
５、５０、６０、７０…アクチュエータ
１００…二次元触覚ディスプレイ
【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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