(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動情報を呈示する振動素子と、
前記振動素子上に配置されるとともに、操作体が接触可能な接触領域に設けられ、温感情報を呈示するヒータと、
前記振動素子と前記ヒータとの間に配置された第１断熱部と、
前記振動素子上に配置されるとともに、前記接触領域に設けられ、温冷情報を呈示する温冷呈示素子と、
前記温冷呈示素子と前記ヒータとの間に配置された第２断熱部とを備えることを特徴とする触覚呈示装置。
【請求項２】
前記第１断熱部の厚さ寸法は、前記温冷呈示素子と前記ヒータの厚さ寸法の差に相当している請求項１に記載の触覚呈示装置。
【請求項３】
振動情報を呈示する振動素子と、
前記振動素子上に配置されるとともに、操作体が接触可能な接触領域に設けられ、温感情報を呈示するヒータと、
前記振動素子と前記ヒータとの間に配置された第１断熱部と、
前記振動素子上に配置されるとともに、前記接触領域を有し温冷情報を呈示する温冷呈示素子とを有し、
前記振動素子と前記温冷呈示素子との間には断熱部を配置しない触覚呈示装置。
【請求項４】
前記振動素子、前記ヒータ、及び、前記温冷呈示素子の動作を制御する制御部を備え、
前記制御部は、前記接触領域において、前記温冷情報と、前記温感情報と、前記振動情報とを含む触覚を呈示させる請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の触覚呈示装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記接触領域において、少なくとも２種類の温冷情報を呈示させる請求項４に記載の触覚呈示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、指などの操作体が接触したときに、温冷情報や振動情報を呈示する触覚呈示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１においては、ボイスコイルまたは圧電体等の振動発生による触覚呈示装置と、温覚を呈するペルチェ素子と、皮膚温を測定するセンサとが台座上に載置された装置が開示されている。触覚呈示装置とセンサは台座上にそれぞれ直接載置され、ペルチェ素子は触覚呈示装置上に載置される。この構成より、触覚の呈示に、振動だけでなく温度の影響も付加することで、より高い表現力をもった触覚伝達装置を実現することが可能であるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−７２０１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら特許文献１に記載の装置では、触覚呈示装置上に１つのペルチェ素子が載置された構成であるため、触覚呈示装置で発生する振動による１つの触覚の呈示に対して、ペルチェ素子が呈示できるのは１つの温覚だけであることから、例えば、実際の品物に対応する質感、温度感覚、その品物に力を加えたときの動きや変形などを表現するには、触覚呈示の細かさ、表現力の豊かさ、精度などが不十分であった。さらに、温冷情報を効率よく呈示するには、温冷情報呈示デバイスが複数必要となるが、一方でペルチェ素子は高価であるため形状自由度が乏しいという問題がある。【０００５】
そこで、本発明は、より細かな触覚呈示を実現することができる触覚呈示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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の触覚呈示装置は、振動情報を呈示する振動素子と、振動素子上に配置されるとともに、操作体が接触可能な接触領域に設けられ、温感情報を呈示するヒータと、振動素子とヒータとの間に配置された第１断熱部と、振動素子上に配置されるとともに、接触領域に設けられ、温冷情報を呈示する温冷呈示素子と、温冷呈示素子とヒータとの間に配置された第２断熱部とを備えることを特徴としている。
【０００７】
これにより、振動情報に対して、ヒータが呈示する温感情報を組み合わせることが可能となるため、より細かな触覚呈示を実現することができる。【０００９】
また、温冷呈示素子とヒータが互いの熱の影響を受けずに温冷情報及び温感情報を呈示することができるため、温冷呈示素子とヒータの両方に触れた操作体に対して所定の触覚を呈示することが可能となる。また、ヒータ又は温冷呈示素子のいずれか１つのみを設けた場合と比べて、温冷呈示素子とヒータを設けることにより、電力効率を上げることができ、かつ、呈示スピードを高速化することができる。
【００１０】
本発明の触覚呈示装置は、第１断熱部の厚さ寸法が、温冷呈示素子とヒータの厚さ寸法の差に相当していることが好ましい。【００１１】
これにより、温冷呈示素子の表面とヒータの表面の、振動素子からの高さ位置を揃えることが可能になる。【００１２】
本発明の触覚呈示装置において、振動素子、ヒータ、及び、温冷呈示素子の動作を制御する制御部を備え、制御部は、接触領域において、温冷情報と、温感情報と、振動情報とを含む触覚を呈示させることが好ましい。【００１３】
これにより、複合的で細やかな触覚を呈示することができる。【００１４】
本発明の他の触覚呈示装置は、振動情報を呈示する振動素子と、振動素子上に配置されるとともに、操作体が接触可能な接触領域に設けられ、温感情報を呈示するヒータと、振動素子とヒータとの間に配置された第１断熱部と、振動素子上に配置されるとともに、接触領域を有し温冷情報を呈示する温冷呈示素子とを有し、振動素子と温冷呈示素子との間には断熱部を配置しない。
【００１５】
これにより、温冷呈示素子で生じた熱を振動素子から放熱できるため、呈示速度を上げることができる。【００１６】
本発明の触覚呈示装置において、制御部は、接触領域において、少なくとも２種類の温冷情報を呈示させることが好ましい。【００１７】
これにより、熱応答速度を高め、温冷情報の呈示スピードを速くすることができ、
本発明の触覚呈示装置において、ヒータ及び温冷呈示素子のそれぞれと振動素子との間には伝導部材を配置し、伝導部材は、ヒータ及び温冷呈示素子が温感情報と温冷情報をそれぞれ呈示した際に発生する熱を振動素子に伝導する熱伝導部材と、振動素子が呈示した振動情報をヒータ及び温冷呈示素子のそれぞれに伝導する振動伝導部材とを備えることが好ましい。【００１８】
これにより、振動素子が呈示した振動情報を温冷呈示素子とヒータのそれぞれに効率よく伝えることができ、さらに、温冷呈示素子とヒータで発生した熱を効率よく伝導させて放熱効率を高めることができる。【００１９】
本発明の触覚呈示装置において、伝導部材は粘着性を有し、ヒータ及び温冷呈示素子をそれぞれ振動素子に結合していることが好ましい。【００２０】
これにより、振動素子が呈示した振動情報を温冷呈示素子とヒータのそれぞれに確実に伝えることができ、また、温冷呈示素子とヒータで発生した熱を効率よく放熱させることができる。【００２１】
本発明の触覚呈示装置において、振動素子は金属のカバーを備えており、伝導部材は、金属のカバーと、ヒータ及び温冷呈示素子とを結合していることが好ましい。【００２２】
これにより、温冷呈示素子とヒータで発生した熱をさらに効率的に放熱させることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によると、より細かな触覚呈示を実現することができる触覚呈示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係る触覚呈示装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す触覚呈示装置の平面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る触覚呈示装置の機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態に係る触覚呈示装置について図面を参照しつつ詳しく説明する。図１は、本発明の実施形態に係る触覚呈示装置１０の概略構成を示す図、図２は、触覚提示装置１０の平面図、図３は、触覚呈示装置１０の機能ブロック図である。
【００２６】
図１に示すように、触覚呈示装置１０は、合成樹脂材料からなる基材１１上に振動素子１２が載置され、この振動素子１２上に、断熱部１３とペルチェ素子１５がそれぞれ載置され、さらに断熱部１３上にヒータ１４が載置された構成を備える。なお基板１１は、操作装置に設けられた押釦などであってもよい。制御部２０は振動素子１２、ヒータ１４、および、ペルチェ素子１５のそれぞれに対して制御信号を出力する。
【００２７】
振動素子１２は、例えば、振動子が金属製のケース又はカバー内で板バネなどの弾性部材によって、振動自在に支持された構成を備える。振動子にはコイルが巻かれており、ケース内には前記コイルに対向する磁石が固定されている。制御部２０から、コイルに対して制御信号としての交流電流を与えることで、振動子が振動し、これによって振動素子１２は所定の振動情報を呈示することが可能となる。すなわち、振動素子１２は、制御部２０の制御によって所定の振動情報を呈示する。制御部２０が与える制御信号により、振動の強弱、周期などを制御できる。
【００２８】
ここで、振動素子１２としては、振動子が磁石で形成され、振動子に対向するコイルがケース内に固定されていてもよい。また、振動素子１２を圧電素子で構成し、制御部２０からの制御信号にしたがって振動する構成としてもよい。この場合も圧電素子が熱伝導率の高いものとするか、金属ケース内に圧電素子を配置し、金属ケースの表面に、ヒータ１４とペルチェ素子を配置することが好ましい。
【００２９】
ヒータ１４は、制御部２０から与えられた制御信号としての電流の大きさ、周期等に応じて所定の発熱を生じる電気抵抗部を備える。電気抵抗部は、例えば、コイルや、基板上に印刷された導電パターンで構成する。制御部２０から電流を与えてヒータ１４を発熱させることによって、その表面１４ａに触れた指に温かい温度を感じさせる温感情報を呈示することができる。
【００３０】
第１断熱部としての断熱部１３は、ヒータ１４で発生した熱が振動素子１２の金属ケースに伝導することを防ぐために、振動素子１２とヒータ１４との間に設けられる。これにより、ヒータ１４で発生した熱が振動素子１２に伝導しにくくなるため、ヒータ１４の熱が振動素子１２で吸熱されてしまうことを防ぐことができることから、効率良くヒータ１４の表面１４ａに温かい温度感覚を呈示することが可能となる。
【００３１】
断熱部１３は粘着層を介して振動素子１２の金属ケースの表面に固定される。断熱部１３は熱伝導率の低い合成樹脂で形成されている。あるいは発泡樹脂などで形成されている。断熱部１３は、比較的高い弾性率を有することにより、振動素子１２が呈示した振動情報がヒータ１４に効率よく伝導される構成でもよい。これにより、振動素子１２が呈示した振動情報がヒータ１４に確実に伝導されるようになる。
【００３２】
ここで、ヒータ１４として、断熱性基材上に加熱部を設けた構成のヒータを用いた場合は、断熱部１３を省略し、断熱性基材を断熱部材として使用し、断熱部材である断熱性基材を振動素子１２側としてヒータを配置することができる。この場合も断熱性基材は粘着層を介して振動素子１２の金属ケースの表面に固定される。
【００３３】
温冷呈示素子としてのペルチェ素子１５は、例えば、Ｚ方向において対向する２枚の金属板の接合部に制御部２０から直流電流を与えたときのペルチェ効果の熱の移動を利用したものであり、電流方向に応じて２枚の金属板の表面における熱量が変化する。与える電流の方向と電流量を制御することで、ペルチェ素子１５に触れた指に温かい温度を感じさせる温感情報や、冷たい温度を感じさせる冷感情報を呈示することが可能である。すなわち、ペルチェ素子１５は、温感情報と冷感情報という温冷情報を呈示することができる。
【００３４】
ペルチェ素子１５を振動素子１２の金属ケースに密着させ、または薄い接着層や接着シートを介して密着させることで、金属ケースをヒートシンクとして使用でき、ペルチェ素子１５と金属ケースとの間で熱量を移動させることができるようになり、ペルチェ素子１５の内部での熱の飽和を防止できる。そのため、ペルチェ素子１５の表側の金属板と裏側の金属板との間で熱量を移動させやすくなり、ペルチェ素子１５の表面１５ａの温度変化の応答性を向上することができる。
【００３５】
また、振動素子１２の金属ケースとヒータ１４との間に、第１断熱部としての断熱部１３が設けられているため、ヒータ１４の熱が振動素子１２の金属ケースに移動しにくくなり、ヒータ１４の熱が、ペルチェ素子１５の温度呈示の応答性を低下させるのを防止できるようになる。逆に、断熱部１３の存在により、ヒータ１４が、ペルチェ素子１５が呈示する温冷情報の影響を受けにくくなっている。
【００３６】
図１に示すように、ヒータ１４及び断熱部１３と、ペルチェ素子１５との間には、第２断熱部として間隙部１６が設けられている。別言すると、ヒータ１４及び断熱部１３と、ペルチェ素子１５とは、振動素子１２上で、空気層である間隙部１６を介して互いに離間するように配置されている。これにより、ヒータ１４とペルチェ素子１５とが互いの熱の影響を受けずに温冷情報及び温感情報をそれぞれ呈示することができる。よって、ヒータ１４とペルチェ素子１５のそれぞれに設定どおりの温冷情報及び温感情報をそれぞれ呈示できるため、ヒータ１４とペルチェ素子１５の両方に触れた指に対して、所定の細かな触覚を呈示することが可能となる。
【００３７】
なお、空気層としての間隙部１６に代えて断熱材料を用いてもよい。
【００３８】
触れた手や指（操作体）に温かい温度を感じさせるように温刺激を与える温刺激部としてのヒータ１４と、冷たい温度を感じさせるように冷刺激を与える冷刺激部としてのペルチェ素子１５とを交互に並置した場合、痛覚の生じない温度刺激の組み合わせ（２０°Ｃと４０°Ｃなど）でも痛覚が生起する（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｇｒｉｌｌ  Ｉｌｌｕｓｉｏｎ）。例えば４°Ｃ／ｓ以上などある程度以上の強い温刺激と冷刺激を、上述の温刺激部と冷刺激部のそれぞれから同時に呈示することで、痛覚を生じさせることができる。
【００３９】
ペルチェ素子１５の裏面と振動素子１２の金属ケースとの間は粘着層によって固定される。ここで、ペルチェ素子１５のＺ方向の厚さ寸法は通常は１ｍｍ以上であり、ヒータ１４は、基板と抵抗層とで形成されたものであるため、厚さ寸法が０．１〜０．２ｍｍ程度である。そこで、断熱部１３の厚さ寸法を、ペルチェ素子１５とヒータ１４との厚さ寸法の差に対応した大きさに設定することで、ペルチェ素子１５の表面１５ａとヒータ１４の表面１４ａの、振動素子１２からの高さ位置を揃えることが可能になる。ここで、ヒータ１４の表面１４ａ及びペルチェ素子１５の表面１５ａは、操作体としての指が接触可能な接触部を構成する。
【００４０】
ここで、ヒータ１４とは異なって、ペルチェ素子１５と振動素子１２との間には断熱部を設けておらず、両者を固定する上記粘着層は熱伝導性材料であることが好ましい。これにより、ペルチェ素子１５で生じた熱が振動素子１２に伝わりやすくなるため、振動素子１２の金属ケースを通じて熱量を移動させやすくなり、これによって放熱効率を高めることができ、ペルチェ素子１５の表面１５ａの温度変化速度を速めることができる。
【００４１】
ヒータ１４とペルチェ素子１５は、図３に示すように、それぞれ制御部２０に接続され、互いに独立して温度制御される。例えば、ヒータ１４に触れた指には温かい温度を感じさせ、ペルチェ素子１５に触れた指には冷たい温度を感じさせるような温冷情報をそれぞれで呈示させることができる。また、ヒータ１４とペルチェ素子１５のいずれにおいても、これに触れた指に温かい温度を感じさせ、かつ、それぞれの温度が互いに異なるようにすることもできる。
【００４２】
また、ペルチェ素子とヒータは、それぞれ２つ以上設けても良く、例えばマトリックス状に配置してそれぞれの温度を制御することによって、所望の温度勾配を持った温冷情報の呈示が可能となる。
【００４３】
また、ヒータ１４の表面１４ａとペルチェ素子１５の表面１５ａに温度センサをそれぞれ設け、ヒータ１４とペルチェ素子１５の表面温度をそれぞれ測定し、測定した温度と設定温度との差に基づいてヒータ１４とペルチェ素子１５のそれぞれに与える制御信号を調整することが好ましい。
【００４４】
ここで、ヒータ１４及びペルチェ素子１５のそれぞれに接触することによる温冷刺激前の指の皮膚温度（順応温度）は、温感と冷感の感じやすさ（閾値）に影響を与える。ここで、順応温度とは、温感を呈示したいときは、ペルチェ素子に接触した指先の温度が高い方が温感を感じやすくなり、冷感を呈示したいときは、ペルチェ素子に接触した指先の温度が低い方が冷感を感じやすくなる温度のことである。別言すれば、指は、順応温度が高いほど温刺激を感じやすくなり、また、順応温度が低いほど冷刺激を感じやすくなる。したがって、温度検知素子（不図示）により指の皮膚温度を正確に把握し、その結果を元にペルチェ素子を駆動させ皮膚温度を上昇させる、もしくは下降させと、小さな温度変化で温冷刺激を明瞭に呈示できる。例えば、温感を呈示したい場合、指先温度が３２°Ｃであれば、２°Ｃ高い３４°Ｃにすると「温かい」と感じ、また、指先温度が３５°Ｃであるときは、１°Ｃ高い３６°Ｃにするだけで「温かい」と感じる。一方、冷感を呈示したい場合、指先温度が３２°Ｃであれば、１°Ｃ低い３１°Ｃにすると「冷たい」と感じ、また、指先温度が２９°Ｃの場合、０．５°Ｃ低い２８．５°Ｃにするだけで「冷たい」と感じる。
【００４５】
図２に示すように、平面視において、ヒータ１４とペルチェ素子１５を設けた領域の外形形状は、操作体としての指の操作面に対応する接触領域Ａとほぼ一致している。ここで、指の操作面は指の腹であり、上記接触領域Ａは指の腹がヒータ１４とペルチェ素子１５に接触する範囲に対応する。この構成より、操作体としての指がヒータ１４の表面１４ａに接触したとき、その指は、ペルチェ素子１５の表面１５ａにも同時に接触する。
【００４６】
ヒータ１４とペルチェ素子１５を設けた領域全体をみると、上記接触領域Ａと面積や外形形状が同一であることが最も好ましいが、指がヒータ１４とペルチェ素子１５を設けた領域の両方に同時に接触可能であれば、接触領域Ａの方が広くてもよいし、ヒータ１４とペルチェ素子１５を設けた領域の方が広くても良い。ただし、指がヒータ１４とペルチェ素子１５のそれぞれに接触する面積は、ともに５０％以上の面積となることが好ましい。
【００４７】
次に触覚呈示装置１０の操作と触覚呈示の例について説明する。
【００４８】
まず、制御部２０は、触覚制御信号として、ヒータ１４およびペルチェ素子１５に温冷情報を呈示させるための温冷制御信号と、振動素子１２に振動情報を呈示させるための振動制御信号とを生成する。
【００４９】
温冷制御信号はヒータ１４およびペルチェ素子１５にそれぞれ与えられ、ヒータ１４の表面１４ａとペルチェ素子１５の表面１５ａにおいて、熱量が変化し、指で感じる温度が上下する。ヒータ１４における温感情報の呈示と、ペルチェ素子１５における温冷情報の呈示とは、互いに独立して制御され、両者は同時に行われても良いし、別々に行われても良い。熱伝達が可能な振動素子１２の金属ケースとヒータ１４との間に断熱部１３が介在しているため、ヒータ１４の表面１４ａの温度とペルチェ素子１５の表面１５ａの温度を互いに独立して設定しやすい。
【００５０】
例えばヒータ１４の表面１４ａに触れた指に温かい温度を感じさせ、ペルチェ素子１５の表面１５ａに触れた指に冷たい温度を感じさせてもよいし、ペルチェ素子１５の表面１５ａにも温感情報を呈示させても良い。ヒータ１４とペルチェ素子１５で温冷の異なる温冷情報を呈示できるため、全体として熱応答速度を高めることが可能となり、温冷情報の呈示スピードを速くすることができる。別言すると、１つのペルチェ素子において温感情報の呈示から冷感情報の呈示へ変化させる場合と比べて、ヒータ１４とペルチェ素子１５を設けることにより、電力効率を上げることができ、かつ、呈示スピードを高速化することができる。
【００５１】
一方、振動制御信号は振動素子１２に与えられ、この信号にしたがって振動素子１２で振動が発生し、この振動はヒータ１４を経て、また、ペルチェ素子１５を経て指に与えられる。ヒータ１４およびペルチェ素子１５における温冷情報の呈示と、振動素子１２における振動情報の呈示とは、同時に行われても良いし、別々に行われても良い。
【００５２】
また、インターフェース（不図示）を介して制御部２０を外部のアプリケーションや計測側システムに接続することができる。上記アプリケーションや計測側システムに接続した状態においても、ヒータ１４とペルチェ素子１５における温冷情報や振動素子１２における振動情報を変化させることができる。
【００５３】
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。
【００５４】
本願は、日本特許庁に２０１６年１１月２８日に出願された基礎出願2016-230451号の優先権を主張するものであり、その全内容を参照によりここに援用する。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように、本発明に係る触覚呈示装置は、より細かな触覚呈示を実現することができる点で有用である。
【符号の説明】
【００５６】
１０    触覚呈示装置
１１    基材
１２    振動素子
１３    断熱部（第１断熱部）
１４    ヒータ
１４ａ  表面（接触部）
１５    ペルチェ素子
１５ａ  表面（接触部）
１６    間隙部（第２断熱部）
２０    制御部
【図１】
0006781768.tif 000002
【図２】
0006781768.tif 000003
【図３】
0006781768.tif 000004