(57)【要約】【課題】超音波の音圧の集中点を生成するためのエネルギー効率を向上することができ、かつ、安価な触覚ディスプレイ装置を提供する。【解決手段】触覚ディスプレイ装置は、超音波を所定の指向性範囲に照射する超音波素子３０を備えている。また、触覚ディスプレイ装置は、表面が球状の凹面４１を有する反射板４０を備えている。反射板４０は、超音波素子３０から照射された超音波を凹面４１で反射させると共に、反射させた超音波を凹面４１の焦点に集中させることにより集中点５０を生成する。これにより、超音波を生成するためのエネルギーの大部分が集中点５０の生成のために有効に利用されるので、超音波の音圧の集中点５０を生成するためのエネルギー効率が向上する。また、１つの超音波素子３０で超音波の音圧の集中点５０が生成されるので、触覚ディスプレイ装置を安価に構成することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空中に超音波の音圧の集中点（５０）を生成し、前記空中に位置する生体の皮膚にある触覚受容器を前記音圧の集中点（５０）で刺激して触覚を与える触覚ディスプレイ装置であって、
前記超音波を所定の指向性範囲に照射する超音波素子（３０）と、
表面が球状の凹面（４１）を有し、前記超音波素子（３０）から照射された超音波を前記凹面（４１）で反射させると共に、反射させた超音波を前記凹面（４１）の焦点に集中させることにより前記集中点（５０）を生成する反射板（４０）と、
を備えていることを特徴とする触覚ディスプレイ装置。
【請求項２】
前記反射板（４０）は、前記凹面（４１）の曲率を変更する曲率変更手段（４２）を有し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装置。
【請求項３】
前記反射板（４０）は、前記凹面（４１）の向きを変更する向き変更手段（４４）を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の触覚ディスプレイ装置。
【請求項４】
前記超音波素子（３０）を複数備えており、
前記反射板（４０）は、前記複数の超音波素子（３０）から照射される超音波をそれぞれ反射させることにより前記集中点（５０）を複数生成することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の触覚ディスプレイ装置。
【請求項５】
前記超音波素子（３０）と前記反射板（４０）との組み合わせを複数備えていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の触覚ディスプレイ装置。
【請求項６】
前記凹面（４１）は、前記超音波素子（３０）から照射される超音波の指向性範囲よりも大きなサイズであり、
前記反射板（４０）は、前記超音波素子（３０）から照射される超音波の全てを前記凹面（４１）で反射させることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の触覚ディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用した触覚ディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、超音波の音圧で生体に触覚を提示するように構成された触覚提示装置が、例えば特許文献１で提案されている。具体的には、複数の超音波素子が基板上に配置されて触覚提示素子アレイが構成されており、複数の超音波素子の一部を同時に発振させるように構成された触覚提示装置が提案されている。
【０００３】
このような構成では、各超音波素子が位相制御されて駆動させられることにより、触覚提示素子アレイの上方の触覚提示位置に超音波の音圧の集中点が生成される。したがって、触覚提示位置に生体が位置すると、生体の皮膚にある触覚受容器を音圧で刺激して触覚を与えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−４８３７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の技術では、所定の指向性範囲を持って超音波を発する超音波素子が複数用いられているので、各超音波素子において超音波の指向性範囲のうち音圧の集中点を生成しない範囲が使用されずに無駄になっている。すなわち、超音波を生成するためのエネルギーの大部分が無駄になっている。このため、生体への触覚提示のためのエネルギー効率が悪いという問題がある。また、複数の超音波素子を用いる構成になっているので、触覚提示装置が高価になってしまうという問題がある。
【０００６】
本発明は上記点に鑑み、超音波の音圧の集中点を生成するためのエネルギー効率を向上することができ、かつ、安価な触覚ディスプレイ装置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】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、空中に超音波の音圧の集中点（５０）を生成し、空中に位置する生体の皮膚にある触覚受容器を音圧の集中点（５０）で刺激して触覚を与える触覚ディスプレイ装置であって、以下の点を特徴としている。
【０００８】
まず、超音波を所定の指向性範囲に照射する超音波素子（３０）を備えている。また、表面が球状の凹面（４１）を有し、超音波素子（３０）から照射された超音波を凹面（４１）で反射させると共に、反射させた超音波を凹面（４１）の焦点に集中させることにより集中点（５０）を生成する反射板（４０）を備えていることを特徴とする。
【０００９】
これによると、超音波素子（３０）から照射された超音波が反射板（４０）の凹面（４１）によって集中させられるので、超音波の指向性範囲のうち音圧の集中点（５０）の生成に寄与しない範囲を狭くすることができる。すなわち、超音波を生成するためのエネルギーの大部分を集中点（５０）の生成のために有効に利用することができる。したがって、超音波の音圧の集中点（５０）を生成するためのエネルギー効率を向上させることができる。
【００１０】
また、１つの超音波素子（３０）で超音波の音圧の集中点（５０）を生成することができるので、触覚ディスプレイ装置を安価に構成することができる。
【００１１】
なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る触覚ディスプレイ装置の構成を示した図である。
【図２】従来の２次元アレイの構成を示した平面図である。
【図３】２次元アレイの上方に集中点が生成されることを説明するための図である。
【図４】２次元アレイを構成する１個の超音波素子のエネルギー効率を説明するための図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る触覚ディスプレイ装置の構成を示した図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る触覚ディスプレイ装置の構成を示した図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る触覚ディスプレイ装置の構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００１４】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る触覚ディスプレイ装置は、空中に超音波の音圧の集中点を生成し、空中に位置する生体の皮膚にある触覚受容器を音圧の集中点で刺激して触覚を与える装置である。
【００１５】
図１に示されるように、触覚ディスプレイ装置は、コンピュータ１０、発振回路２０、超音波素子３０、及び反射板４０を備えて構成されている。
【００１６】
コンピュータ１０は、発振回路２０を制御するための装置である。コンピュータ１０は、空中に触覚を発生させるためのアプリケーションプログラムに従って発振回路２０に発振信号を出力する。コンピュータ１０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、タイマ、Ｉ／Ｏ及びこれらを接続するバス等によって構成されている。
【００１７】
発振回路２０は、コンピュータ１０から入力した発振信号に従って超音波素子３０を駆動するものである。具体的には、発振回路２０は、コンピュータ１０から発振信号を入力し、予め設定された超音波領域の所定周波数の正弦波を生成し、それをパルス変調したパルス信号を超音波素子３０に出力する。例えば、発振回路２０は、４０ｋＨｚの超音波を２００Ｈｚの周期で発振する。これにより、発振回路２０は、超音波素子３０から超音波を発生させる。
【００１８】
超音波素子３０は、超音波を所定の指向性範囲に照射する素子である。本実施形態では、指向性範囲は例えば６０度である。超音波素子３０は、回路基板３１、圧電素子３２、及び音響整合層３３を備えて構成されている。これら回路基板３１、圧電素子３２、及び音響整合層３３は１つにパッケージ化されている。また、超音波素子３０は、反射板４０から例えば２００ｍｍ離れた場所に配置されている。
【００１９】
回路基板３１は、発振回路２０から入力した駆動信号に従って圧電素子３２に電圧を印加する駆動回路が形成されている。
【００２０】
圧電素子３２は、回路基板３１の駆動回路から印加される電圧に従って伸縮と膨張を繰り返して振動することにより超音波を発生させるものである。圧電素子３２は、例えば積層構造のＰＺＴ素子（ＰＺＴ：チタン酸ジルコン酸鉛）から構成されている。
【００２１】
音響整合層３３は、超音波の伝達媒体である空気と圧電素子３２との音響インピーダンスの差を緩和して超音波の伝達効率を向上させると共に、超音波の指向性を決定するものである。本実施形態では、音響整合層３３は、超音波の指向性範囲が６０度となるように構成されている。音響整合層３３は、例えば樹脂材料によって形成されている。
【００２２】
反射板４０は、超音波素子３０から照射された超音波を反射させるものである。反射板４０は、表面が球状の凹面４１を有している。反射板４０は、いわゆる凹面鏡である。
【００２３】
本実施形態では、反射板４０の凹面４１は、超音波素子３０から照射される超音波の指向性範囲よりも大きなサイズである。したがって、反射板４０は、超音波素子３０から照射される超音波の全てを凹面４１で反射させるようになっている。反射板４０の凹面４１の焦点が超音波の音圧の集中点５０となる。つまり、集中点５０が触覚提示位置となる。
【００２４】
さらに、超音波素子３０から音の焦点までの距離は指向性範囲内で等しくなっている。具体的には、指向性範囲の一方の限界角度（例えば−３０度）の超音波が超音波素子３０から凹面４１に達する距離をａ１とし、指向性範囲の他方の限界角度（例えば＋３０度）の超音波が超音波素子３０から凹面４１に達する距離をｂ２と定義する。また、指向性範囲の一方の限界角度の超音波が凹面４１から集中点５０に達する距離をａ２とし、指向性範囲の他方の限界角度の超音波が凹面４１から集中点５０に達する距離をｂ１と定義する。このような定義において、ａ１＋ａ２＝ｂ１＋ｂ２を満たすように超音波素子３０と反射板４０との配置が調整されている。以上が、本実施形態に係る触覚ディスプレイ装置の全体構成である。
【００２５】
次に、触覚ディスプレイ装置の作動について説明する。上述のように、コンピュータ１０が発振信号に基づいて発振回路２０を動作させる。これにより、超音波素子３０から超音波が照射される。反射板４０は、超音波素子３０から照射された超音波を凹面４１で反射させる。そして、反射板４０は、反射させた超音波を凹面４１の焦点に集中させることにより空中に集中点５０を生成する。言い換えると、凹面４１の形状の効果により所定の位置に音波を集中させ音響放射圧を発生させる。
【００２６】
このようにして、空中に超音波の音圧の集中点５０を生成し、空中に位置する生体の皮膚にある触覚受容器を音圧の集中点５０で刺激して触覚を与える。すなわち、超音波によって空間に数重量グラムの手触り感覚を発生させる。
【００２７】
続いて、超音波素子３０が２次元に並べられた従来の構成と、反射板４０を設けた本実施形態に係る構成と、のエネルギー効率を比較する。
【００２８】
まず、図２に示されるように従来の触覚ディスプレイ装置は複数の超音波素子３０が２次元に並べられた２次元アレイ６０として構成されている。また、図３に示されるように２次元アレイ６０から２００ｍｍ離れた位置に集中点６１が生成される構成である。集中点６１は、複数の超音波素子３０からそれぞれ位相差を持って発せられた超音波が重なり合う位置である。
【００２９】
そして、図４の下段に示されるように１つの超音波素子３０は６０度の指向性範囲に超音波を照射する。したがって、図４の上段に示されるように従来の構成では１個の超音波素子３０から２００ｍｍの焦点距離に照射された超音波の面積Ｓ１はＳ１＝２×π×２００×２７＝３４０００ｍｍ2となる。一方、面積Ｓ１のうち集中点６１に使用される面積Ｓ２は、超音波周波数が４０ｋＨｚの場合、直径１波長分の長さ８ｍｍの円の面積となるため５０ｍｍ2となる。
【００３０】
したがって、図２〜図４に示された従来の構成では、１個の超音波素子３０から発せられる超音波のエネルギーのうち触覚提示に使われている割合Ｓ２／Ｓ１はＳ２／Ｓ１＝５０／３４０００＝０．１５％となる。このように、１個の超音波素子３０から発せられた超音波のエネルギーのうち触覚提示に利用されているエネルギーはわずか０．１５％しかない。
【００３１】
これに対し、本実施形態に係る反射板４０を備えた構成では、１個の超音波素子３０から発せられた超音波を全て反射させて反射板４０の凹面４１の焦点に集中させている。すなわち、１個の超音波素子３０から発せられた超音波のエネルギーの全てが触覚提示に利用されているので、エネルギー効率は１００％である。
【００３２】
以上説明したように、本実施形態では、超音波素子３０から照射された超音波を反射板４０の凹面４１で反射させる構成になっているので、超音波素子３０から照射された超音波を無駄なく集中点５０の形成に利用することができる。また、本実施形態では、超音波素子３０から照射された超音波の全てを利用して音圧の集中点５０を生成しているので、超音波の指向性範囲のうち音圧の集中点５０の生成に寄与しない範囲を無くすことができる。すなわち、超音波を生成するためのエネルギーの全てを集中点５０の生成のために利用することができる。つまり、反射板４０の凹面４１で超音波を反射させることで従来よりもエネルギー効率を向上させることができる。
【００３３】
また、本実施形態では、１つの超音波素子３０で超音波の音圧の集中点５０を生成することができるので、従来の２次元アレイ６０のように複数の超音波素子３０が用いられる構成よりも安価に触覚ディスプレイ装置を構成することができる。したがって、エネルギー効率を向上し、かつ、安価な触覚ディスプレイ装置を提供することができる。
【００３４】
（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図５に示されるように、触覚ディスプレイ装置は、駆動回路７０を備えている。また、反射板４０は圧電素子４２を備えている。
【００３５】
駆動回路７０は、コンピュータ１０から入力した圧電信号に従って圧電素子４２に電圧を印加する回路である。したがって、コンピュータ１０はアプリケーションプログラムに従って駆動回路７０に圧電信号を出力する。
【００３６】
圧電素子４２は、反射板４０のうち凹面４１とは反対側の裏面４３に固定されている。圧電素子４２は、印加される電圧に応じて伸び縮みすることにより凹面４１の曲率を変更する曲率変更手段である。
【００３７】
以上の構成によると、図５に示されるように、圧電素子４２によって反射板４０の凹面４１の曲率を変更することにより、集中点５０の位置を反射板４０に近づけたり遠ざけたりすることができる。すなわち、集中点５０の位置を反射板４０の高さ方向に移動させることができる。このようにして触覚位置をコントロールすることもできる。
【００３８】
なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、圧電素子４２が特許請求の範囲の「曲率変更手段」に対応する。
【００３９】
（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分について説明する。図６に示されるように、反射板４０は、駆動機構４４を有している。駆動機構４４は、反射板４０のうちの裏面４３側に設けられていると共に、凹面４１の向きを変更するように構成された向き変更手段である。
【００４０】
駆動機構４４は、複数の支持部４５を介して凹面４１を構成する部品を支持している。そして、駆動機構４４は、コンピュータ１０の指令に従って、複数の支持部４５を上下に駆動することによって凹面４１の向きを変更する。
【００４１】
以上の構成によると、駆動機構４４によって反射板４０の凹面４１の焦点の位置すなわち超音波の音圧の集中点５０の位置を機械的に横方向に移動させることができる。ここで、横方向というのは２次元の平面方向である。したがって、反射板４０の向きを機械的に高速で動かすことで形状を提示することができる。また、反射板４０の向きを機械的に遅い速度で動かすことで方向性を提示することもできる。
【００４２】
なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、駆動機構４４が特許請求の範囲の「向き変更手段」に対応する。
【００４３】
（第４実施形態）
本実施形態では、第１〜第３実施形態と異なる部分について説明する。図７に示されるように、触覚ディスプレイ装置は、複数の超音波素子３０を備えている。本実施形態では、２個の超音波素子３０が並べられている。したがって、反射板４０は、２個の超音波素子３０から照射される超音波をそれぞれ反射させることにより集中点５０を２個生成する。このように、１つの反射板４０によって複数の集中点５０を生成することができる。
【００４４】
なお、本実施形態では、超音波素子３０が２個設けられているので、発振回路２０はマルチプレクサを利用して各超音波素子３０を発振するように構成されていても良い。
【００４５】
（他の実施形態）
上記各実施形態で示された触覚ディスプレイ装置の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、上記各実施形態では、反射板４０の凹面４１は超音波素子３０から発せられた超音波の全てを反射させるサイズになっていたが、これは凹面４１のサイズの一例である。仮に、反射板４０の凹面４１が超音波の９０％を反射させるサイズであったとしてもエネルギー効率は９０％である。これは、従来の構成のエネルギー効率よりも充分向上させることができる。
【００４６】
また、各実施形態の構成は、適宜組み合わせることができる。例えば、第１〜第３実施形態の構成を組み合わせることにより、３次元の触覚を提示することができる。さらに、第１実施形態で示された１個の超音波素子３０と反射板４０との組み合わせを複数備えた構成としても良い。これにより、空中に複数の触覚を提示することができる。同様に、第４実施形態で示された複数の超音波素子３０と反射板４０との組み合わせを複数備えた構成とすることもできる。もちろん、第４実施形態で示されたように、複数の超音波素子３０から照射された超音波を１つの反射板４０で反射させることで集中点５０のかたまり、すなわち所定の形状を作り出すこともできる。
【００４７】
そして、第２実施形態で示された圧電素子４２を用いた凹面４１の曲率を変更する構成は一例であり、他の手段によって凹面４１の曲率を変更しても良い。また、第３実施形態で示された駆動機構４４を用いて凹面４１の向きを変更する構成は一例であり、他の手段によって凹面４１の向きを変更しても良い。
【符号の説明】
【００４８】
３０  超音波素子
４０  反射板
４１  凹面
５０  集中点
【図１】
2015219540.tif 000003
【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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