(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力情報を呈示する圧覚生成部と、前記圧覚生成部の上に配置された触覚生成部とを備えた触覚呈示装置であって、前記触覚生成部は、振動情報を呈示する振動素子と、前記振動素子上に設けられ、温冷情報を呈示する温冷呈示素子とを備え、前記触覚生成部の触覚呈示面に接触する操作体に対して、前記振動情報、前記温冷情報、及び、前記圧力情報が呈示され、
前記温冷呈示素子はペルチェ素子であり、
前記ペルチェ素子と前記振動素子との間には伝導部材が配置され、前記伝導部材は、前記ペルチェ素子が温冷情報を呈示した際に発生する熱を前記振動素子に伝導させる熱伝導部材と、前記振動素子が呈示した振動情報を前記ペルチェ素子に伝導させる振動伝導部材とを備える
ことを特徴とする触覚呈示装置。
【請求項２】
前記触覚呈示面に接触した前記操作体の操作情報を取得する操作情報取得部を備え、前記操作情報取得部が取得した前記操作情報に基づいて、前記振動情報、前記温冷情報、及び、前記圧力情報の少なくとも１つを制御する請求項１に記載の触覚呈示装置。
【請求項３】
前記圧覚生成部は、前記操作情報に基づいて、前記触覚呈示面の姿勢を制御する姿勢制御部を備える請求項２に記載の触覚呈示装置。
【請求項４】
前記姿勢制御部は、前記触覚呈示面を傾動させる請求項３に記載の触覚呈示装置。
【請求項５】
前記姿勢制御部は、前記触覚呈示面を上下動させる請求項３又は請求項４に記載の触覚呈示装置。
【請求項６】
前記圧覚生成部は、前記操作情報に基づいて、前記触覚呈示面の形状を制御する形状制御部を備える請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の触覚呈示装置。
【請求項７】
前記形状制御部は、上下動可能な複数の突き上げピンを備え、前記複数の突き上げピンをそれぞれ上下動させることによって、前記触覚呈示面の形状を変更する請求項６に記載の触覚呈示装置。
【請求項８】
前記伝導部材は粘着性を有し、前記ペルチェ素子を前記振動素子に結合している請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の触覚呈示装置。
【請求項９】
前記振動素子は金属のカバーを備えており、前記伝導部材は、金属のカバーとペルチェ素子を結合している請求項８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に記載の触覚伝達装置においては、振動と温覚を同時に呈示することは可能ではあるものの、呈示できるのは１つの振動情報と１つの温覚だけであるため、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。【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、圧力情報を呈示する圧覚生成部と、圧覚生成部の上に配置された触覚生成部とを備えた触覚呈示装置であって、触覚生成部は、振動情報を呈示する振動素子と、振動素子上に設けられ、温冷情報を呈示する温冷呈示素子とを備え、触覚生成部の触覚呈示面に接触する操作体に対して、振動情報、温冷情報、及び、圧力情報が呈示されることを特徴としている。【０００７】
これによって、振動情報、温冷情報、及び、圧力情報を呈示できるため、より細かな触覚呈示が実現でき、また、振動情報、温冷情報、及び、圧力情報のそれぞれだけでは得られない、新たな触覚を呈示することが可能となる。【０００８】
本発明の触覚呈示装置において、触覚呈示面に接触した操作体の操作情報を取得する操作情報取得部を備え、操作情報取得部が取得した操作情報に基づいて、振動情報、温冷情報、及び、圧力情報の少なくとも１つを制御することが好ましい。【０００９】
これにより、取得した操作情報に基づいて呈示情報を制御するため、より複雑な触覚呈示が可能となり、また、操作体の状態に応じて制御条件を変更できるため、制御の効率や速度を高めることができ、その結果、より細かな触覚呈示を実現することができる。【００１０】
本発明の触覚呈示装置において、圧覚生成部は、操作情報に基づいて、触覚呈示面の姿勢を制御する姿勢制御部を備えることが好ましい。この姿勢制御部は、触覚呈示面を傾動させ、及び／又は、触覚呈示面を上下動させることができる。【００１１】
これにより、さまざまな圧力情報を与えることが可能となるため、より複雑で細かな触覚を呈示することができる。【００１２】
本発明の触覚呈示装置において、圧覚生成部は、操作情報に基づいて、触覚呈示面の形状を制御する形状制御部を備えることが好ましい。この形状制御部は、上下動可能な複数の突き上げピンを備え、複数の突き上げピンをそれぞれ上下動させることによって、触覚呈示面の形状を変更することができる。【００１３】
これにより、振動情報、温冷情報、及び、圧力情報のそれぞれだけでは得られない、新たな触覚を呈示することが可能となる。【００１４】
本発明の触覚呈示装置において、温冷呈示素子はペルチェ素子であることが好ましい。【００１５】
これにより、効率よく温冷情報を呈示させることができる。【００１６】
本発明の触覚呈示装置において、ペルチェ素子と振動素子との間には伝導部材が配置され、伝導部材は、ペルチェ素子が温冷情報を呈示した際に発生する熱を振動素子に伝導させる熱伝導部材と、振動素子が呈示した振動情報を複数のペルチェ素子に伝導させる振動伝導部材とを備えることが好ましい。【００１７】
これにより、ペルチェ素子の表面に振動素子による振動情報を効率よく伝えることができ、また、ペルチェ素子からの熱を振動素子へ効率よく伝導させることにより放熱効果を高めることができ、切り替えの速い触覚呈示が可能となる。【００１８】
本発明に係る触覚呈示装置において、伝導部材は粘着性を有し、ペルチェ素子を振動素子に結合していることが好ましい。【００１９】
これにより、振動素子が呈示した振動情報をペルチェ素子に確実に伝えることができ、また、ペルチェ素子で発生した熱を効率よく放熱させることができる。【００２０】
本発明に係る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、金属のカバーとペルチェ素子を結合していることが好ましい。【００２１】
これにより、ペルチェ素子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】
【００２２】
本発明によると、振動情報、温冷情報、及び、圧力情報を呈示できるため、より細かな触覚呈示が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る触覚呈示装置の概略構成を示す側面図である。
【図２】図１に示す触覚呈示装置の平面図である。
【図３】図１に示す触覚呈示装置の機能ブロック図である。
【図４】入力装置と表示装置の第１の使用形態の例を示す図である。
【図５】入力装置と表示装置の第２の使用形態の例を示す図である。
【図６Ａ】入力装置を上側から見た図である。
【図６Ｂ】入力装置を下側から見た図である。
【図７】図４〜図６に示す入力装置における触覚呈示装置の構成を示す分解斜視図である。
【図８】変形例に係る触覚呈示装置の概略構成を示す斜視図である。
【図９】図８に示す触覚呈示装置に指を接触させたときの側面図である。
【図１０】第２実施形態に係る触覚呈示装置の概略構成を示す側面図である。
【図１１】図１０に示す触覚呈示装置の概略構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る触覚呈示装置１０の概略構成を示す側面図、図２は、図１に示す触覚呈示装置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。各図には、基準座標としてＸ−Ｙ−Ｚ座標が示されている。以下の説明において、Ｚ方向上側から下側を見た状態を平面視ということがあり、Ｚ方向はＸ−Ｙ面に直交する方向である。
【００２５】
図１と図２に示すように、触覚呈示装置１０は、圧覚生成部３０（図６Ａの圧覚生成部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ）と、この圧覚生成部３０の支持体３３（図６Ａの支持体３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ）上に配置された触覚生成部２０とを備える。
【００２６】
図１に示すように、圧覚生成部３０の支持体３３上に振動素子２１が載置され、この振動素子２１上には、伝導部材２２を介して、温冷呈示素子としてのペルチェ素子２３が載置されている。さらに、ペルチェ素子２３の表面２３ａ上には、操作情報取得部としての接触検知部２４が設けられている。触覚生成部２０は、振動素子２１、伝導部材２２、ペルチェ素子２３、及び、接触検知部２４を備える。
【００２７】
図３に示すように、接触検知部２４による検知結果は制御部１２へ出力され、制御部１２は、振動素子駆動回路２５、ペルチェ素子駆動回路２６、モータ駆動回路３９Ａ、及び、表示ドライバ回路５２Ａ、５２Ｂのそれぞれに対して、互いに独立した制御信号を出力する。
【００２８】
振動素子２１は、例えば、振動子が金属製のケース又はカバーの内部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。振動制御部としての制御部１２から、振動素子駆動回路２５に対して制御信号を与えると、振動素子駆動回路２５は振動素子２１におけるコイルに対して駆動信号としての交流電流を与える。これによって、振動素子２１の振動子が振動し、振動情報を呈示することが可能となる。
【００２９】
制御部１２が振動素子駆動回路２５に制御信号を与えると、これに基づいて振動素子駆動回路２５は振動素子２１に対して駆動信号を出力する。この駆動信号は、例えば、駆動パルスの周波数、パルス幅、振幅を設定することができ、これによって、触覚生成部２０の表面には、様々な細やかな触覚が呈示される。
【００３０】
また、制御部１２が振動素子駆動回路２５に与える制御信号は、接触検知部２４における検知結果などに応じて変更することができる。
【００３１】
振動素子２１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２１を圧電素子で構成し、制御部１２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。
【００３２】
伝導部材２２は、例えば両面テープのような粘着性のテープ材である。伝導部材２２は、振動素子２１の上面を覆うように配置される。伝導部材２２は、その粘着性によって、振動素子２１上に固定され、かつ、その上に配置されたペルチェ素子２３を固定する。このように、伝導部材２２によって振動素子２１とペルチェ素子２３が互いに結合される。
【００３３】
伝導部材２２は、熱伝導部材として、ペルチェ素子２３が温冷情報を呈示した際に発生する熱を振動素子２１の金属製のケースへ伝導する。さらに、伝導部材２２は、振動伝導部材として、振動素子２１が呈示した振動情報をペルチェ素子２３に伝導する。
【００３４】
このように伝導部材２２が粘着性及び振動伝導性を有するため、ペルチェ素子２３を経て接触検知部２４の表面（図１においてＺ方向の上側の面）に、振動素子２１が呈示した振動情報が効率よく伝えられる。さらに、伝導部材２２が熱伝導性を有するため、ペルチェ素子２３で発生した熱を自身で拡散できるとともに、ペルチェ素子２３の裏面（Ｚ方向下側の面）から振動素子２１の特に金属製のケースへ熱を効率よく伝導させ、金属製のケースをヒートシンクとして利用することで放熱効率を高めることができる。
【００３５】
温冷呈示素子としてのペルチェ素子２３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ペルチェ素子駆動回路２６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。ペルチェ素子駆動回路２６からペルチェ素子２３に与えられる駆動信号としての電流は、制御部１２から与えられる制御信号に基づいて生成される。ペルチェ素子２３に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２３に触れた指に温かい温度や冷たい温度を感じさせることが可能となり、細やかな温冷情報を呈示することができる。  ここで、温冷呈示素子としては、ペルチェ素子のほかに、トムソン効果を用いた熱電素子を用いることもでき、また、温冷呈示素子に代えて、温感情報を呈示する素子、例えばヒータを用いることもできる。
【００３６】
図１に示すように、ペルチェ素子２３の表面２３ａには、接触検知部２４が固定されている。この接触検知部２４は、ペルチェ素子２３の熱を、操作体としての指に伝達できるように薄い構造となっている。
【００３７】
接触検知部２４は、その上面が操作体としての指が接触可能な触覚呈示面を構成しており、ペルチェ素子２３の上に貼られた樹脂フィルムの基板を有している。この樹脂フィルムの基板は、熱伝導を容易にするように薄い物が使用されている。接触検知部２４は、静電検知部であり、前記基板に互いに絶縁された複数の電極層が設けられた相互容量検知型、又は、前記基板に単一の電極層が設けられた自己容量検知型である。電極と操作体である指との間の静電容量の変化、又は複数の電極間の静電容量の変化により、接触検知部２４に指が触れたことを検知できる。さらに、相互容量検知型では、接触検知部２４のどの座標位置に指が触れたのかも検知も可能であり、操作情報取得部として、所定の経過時間ごとに接触位置を検知することによって指の動きを含む操作情報を検知(取得)することができる。
【００３８】
図３に示すように、接触検知部２４による検知結果は制御部１２へ出力され、制御部１２は、検知結果に基づいて、（１）振動情報を呈示させるために振動素子駆動回路２５へ制御信号を与え、（２）温冷情報を呈示させるためにペルチェ素子駆動回路２６へ制御信号を与え、（３）圧覚生成部３０Ａのモータ３５Ａを動作させて圧覚情報を呈示させるためにモータ駆動回路３９Ａへ制御信号を与え、さらに、（４）表示装置５１Ａ、５１Ｂに検知結果に対応した画像を表示させるために表示ドライバ回路５２Ａ、５２Ｂへ制御信号を与える。この結果、振動素子２１の駆動によって生じた振動情報と、ペルチェ素子２３で生成された温冷情報と、モータ３５Ａの駆動によって生じた圧力情報とを含む触覚が接触検知部２４に触れた指に対して呈示され、また、操作体としての指の動作に対応した画像が表示装置５１Ａ、５１Ｂに表示される。
【００３９】
なお、圧覚生成部３０が押釦として機能するように構成されている場合には、押釦を押すことで、操作装置内部のスイッチやセンサが動作して、押釦が押されたことが検知されるものであってもよい。この場合には、操作装置内部のスイッチやセンサが検知部として機能するため、ペルチェ素子２３の表面の接触検知部２４を省略してもよい。
【００４０】
また、接触検知部２４に温度センサを設け、ペルチェ素子２３の表面温度を測定し、測定した温度と設定温度との差に基づいてペルチェ素子２３に与える制御信号を調整することが好ましい。
【００４１】
図２に示すように、平面視において、接触検知部２４を設けた領域、すなわち触覚呈示面の外形形状は、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は指の腹が接触検知部２４に接触する範囲に対応する。接触検知部２４を設けた領域は、上記接触領域Ａに対して面積や外形形状が同一であることが最も好ましいが、接触領域Ａの方が広くてもよいし、接触検知部２４の領域の方が広くても良い。ただし、指が接触検知部２４に接触する面積は５０％以上の面積となることが好ましい。
【００４２】
図４は、入力装置４０と表示装置５１Ａの第１の使用形態の例を示す図、図５は、入力装置４０と表示装置５１Ｂの第２の使用形態の例を示す図である。図６Ａ及びＢは、図４と図５に示す入力装置４０の構成を示す斜視図であり、図６Ａは入力装置４０を上側から見た図、図６Ｂは入力装置４０を下側から見た図である。図７は、図４〜図６に示す入力装置４０における触覚呈示装置１０の構成を示す分解斜視図である。
【００４３】
図４に示す第１の使用形態では、１つの入力装置４０と表示装置５１Ａとがコード４０Ａによって互いに接続されており、入力装置４０が操作者の右手で操作されている。表示装置５１Ａには、これを駆動するための表示ドライバ回路５２Ａが設けられ、この表示ドライバ回路５２Ａは制御部１２によって制御される（図３）。表示装置５１Ａはカラー液晶表示パネルやエレクトロルミネッセンス表示パネルなどである。表示装置５１Ａはパーソナルコンピュータや、比較的大きな表示画面を有するデモンストレーション用の表示装置などである。
【００４４】
図５に示す第２の使用形態では、２つの入力装置４０と表示装置５１Ｂとがコード４０Ｂによって互いに接続されており、入力装置４０は操作者の右手と左手で操作されている。表示装置５１Ｂには、これを駆動するための表示ドライバ回路５２Ｂが設けられ、この表示ドライバ回路５２Ｂは制御部１２によって制御される（図３）。表示装置５１Ｂは、操作者の目の前方に装着され、目視可能な画像を表示するマスク型本体５１１と、このマスク型本体５１１を頭部に装着するためのストラップ５１２とを有している。
＜入力装置の構成＞
図６Ａ及びＢに示すように、入力装置４０は、触覚呈示装置１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを備えており、これらの触覚呈示装置１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは、それぞれ、図１と図２に示す触覚生成部２０と同様の構成の触覚生成部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃをそれぞれ備えている。図６Ａ及びＢにおいて、触覚呈示装置１０Ａ、１０Ｂ、１０ＣはＺ方向に沿って押圧される。また、図４と図５に示す使用状態では、入力装置４０は、図６Ａ及びＢのＹ方向が上下に向けられた姿勢で操作者の手に保持されている。
【００４５】
図６Ａ及びＢに示すように、入力装置４０は合成樹脂製のケース４１を有している。ケース４１は片手で保持可能な大きさである。ケース４１は上部ケース４２と下部ケース４３とが組み合わされて構成されている。これらの上部ケース４２と下部ケース４３は、Ｚ方向に分割可能である。上部ケース４２と下部ケース４３は、ねじ止め手段などで互いに固定されており、２つのケース４２、４３の内部に機構収納空間が形成されている。
【００４６】
上部ケース４２はＺ方向に向く表面が第１の面４２ａであり、下部ケース４３はＺ方向に向く表面が第２の面４３ａである。上部ケース４２には、第１の面４２ａでＺ方向に貫通する２つの操作穴４４Ａ、４４Ｂが開口している。下部ケース４３には、第２の面４３ａをＺ方向に貫通する操作穴４４Ｃが開口している。操作穴４４Ａ、４４ＢはＹ方向に並んで形成されており、Ｙ方向での開口寸法は、操作穴４４Ｃが、第１の面４２ａの操作穴４４Ａ、４４Ｂよりも大きくなっている。第１の面４２ａの操作穴４４Ａからは、触覚呈示装置１０Ａの触覚生成部２０Ａと圧覚生成部３０Ａの支持体３３ＡがＺ方向に沿って押圧可能な状態で露出しており、また、操作穴４４Ｂからは、触覚呈示装置１０Ｂの触覚生成部２０Ｂと圧覚生成部３０Ｂの支持体３３ＢがＺ方向に沿って押圧可能な状態で露出している。さらにまた、第２の面４３ａの操作穴４４Ｃからは、触覚呈示装置１０Ｃの触覚生成部２０Ｃと圧覚生成部３０Ｃの支持体３３ＣがＺ方向に沿って押圧可能な状態で露出している。触覚生成部２０Ａ、２０Ｂは、接触検知部２４がＺ方向上側となるように配置され、触覚生成部２０Ｃは接触検知部２４がＺ方向下側となるように配置される。ここで、圧覚生成部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃは図１に示す圧覚生成部３０に対応し、支持体３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃは図１と図２に示す支持体３３に対応する。
【００４７】
上部ケース４２のＹ方向に向く端面には、コネクタ装着穴４６が開口しており、下部ケース４３のＹ方向に向く端面には、電源プラグ装着穴４７が開口している。コネクタ装着穴４６の内部には信号コネクタ４６Ｂが露出しており、コード４０Ａ又はコード４０Ｂが接続される。また、電源プラグ装着穴４７の内部には電源プラグ４７Ｂが露出しており、電源ライン（不図示）が接続される。
＜触覚呈示装置の構成＞
触覚呈示装置１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは同様の構成を備えるため、ここでは触覚呈示装置１０Ａのみについて説明し、残りの触覚呈示装置１０Ｂ、１０Ｃについての説明は省略する。
【００４８】
図７に示すように、触覚呈示装置１０Ａは、姿勢制御部としての圧覚生成部３０Ａと、圧覚生成部３０Ａの支持体３３Ａ上に振動素子２１が面するように固定された触覚生成部２０Ａとを備える。圧覚生成部３０Ａは、金属板を折り曲げたフレーム３１を有している。このフレーム３１が入力装置４０内の区分板部（不図示）に固定されることで、触覚呈示装置１０Ａは入力装置４０内に収容される。
【００４９】
フレーム３１に移動部材３２Ａが設けられている。移動部材３２Ａは合成樹脂材料で形成されており、その先部に支持体３３Ａが固定されている。支持体３３Ａは合成樹脂材料で形成されている。図６Ａに示すように、支持体３３Ａは、上部ケース４２に形成された操作穴４４Ａから外部に突出している。
【００５０】
図７に示すように、フレーム３１の一方の側壁部３１ａにＺ方向に延びる案内長穴３１ｃが形成されている。移動部材３２Ａの側部には摺動突部３２ａが一体に形成されており、摺動突部３２ａが案内長穴３１ｃの内部を摺動することで、移動部材３２Ａがフレーム３１上でＺ方向へ移動自在に支持される。また、移動部材３２Ａは凹部３２ｂを有している。この凹部３２ｂの内部では、移動部材３２Ａとフレーム３１の下端部との間に圧縮コイルばね３４が介在している。この圧縮コイルばね３４の弾性力によって、移動部材３２Ａは支持体３３Ａが上部ケース４２から突出する方向であるＺ方向の図示上方に向けて付勢されている。
【００５１】
フレーム３１の一方の側壁部３１ａにモータ３５Ａが固定されている。図３に示すように、モータ３５Ａは、制御部１２からの制御信号に基づいて、モータ駆動回路３９Ａによって駆動される。
【００５２】
モータ３５Ａの出力軸には出力歯車３６ａが固定されている。側壁部３１ａの外面に減速歯車３６ｂが回転自在に支持されており、出力歯車３６ａと減速歯車３６ｂとが噛み合っている。フレーム３１の側壁部３１ａにギヤボックス３７が固定されており、ギヤボックス３７の内部に減速機構が収納されている。前記減速歯車３６ｂの回転力は、ギヤボックス３７内の減速機構で減速される。ギヤボックス３７内の減速機構は、太陽歯車と遊星歯車などから構成されている。
【００５３】
ギヤボックス３７の減速出力軸にはピニオン歯車３７ａが固定されている。移動部材３２Ａには厚肉部の表面にラック部３２ｃが形成されており、ピニオン歯車３７ａとラック部３２ｃとが噛み合っている。ピニオン歯車３７ａの歯部とラック部３２ｃの歯部は、移動部材３２Ａの移動方向と直交するＹ方向に対して傾けられたはす歯である。
【００５４】
前記圧縮コイルばね３４を設けることで、ピニオン歯車３７ａとラック部３２ｃとのバックラッシュを解消することができる。ただし、圧縮コイルばね３４が設けられていなくてもよい。
【００５５】
この実施形態では、モータ３５Ａ、出力歯車３６ａ、減速歯車３６ｂ、ギヤボックス３７、ピニオン歯車３７ａ、及び、ラック部３２ｃで進退駆動部が構成されており、モータ３５Ａの駆動によって、姿勢制御部として支持体３３Ａを上下に移動させ、これによって、接触検知部２４の触覚呈示面を上下動させる。
【００５６】
フレーム３１の他方の側壁部３１ｂには位置検知部３８Ａが固定されている。位置検知部３８Ａは、側壁部３１ｂに固定されたステータ部（不図示）と、ステータ部に対向して回転するロータ部（不図示）とを有している。ロータ部に設けられたロータ軸がピニオン歯車３７ａと一緒に回転する。位置検知部３８Ａは抵抗変化式であり、ステータ部に円弧状の抵抗体パターンが設けられ、ロータ部に前記抵抗体パターンを摺動する摺動子が設けられている。位置検知部３８Ａは制御部１２に接続されており、検知結果に基づいて、制御部１２において支持体３３Ａ上に固定された触覚生成部２０の接触検知部２４上の触覚呈示面の位置が算出される。
【００５７】
なお、位置検知部３８Ａは磁気検知型であって、ロータ部に回転マグネットが固定され、ステータ部にＧＭＲ素子などの磁気検知素子が設けられて、ロータ部の回転角度が磁気検知素子によって検知されるものであってもよい。または、位置検知部３８Ａが、光学式の位置検知部であってもよい。
【００５８】
図６Ａ及びＢに示すように、支持体３３Ａの上面に触覚生成部２０Ａが固定され、第２の支持体３３Ｂの上面に第２の触覚生成部２０Ｂが固定され、第３の支持体３３Ｃの底面に第３の触覚生成部２０Ｃが固定されている。
【００５９】
入力装置４０のケース４１の内部には姿勢検知部（不図示）が設けられている。姿勢検知部は、例えば地磁気センサを検知する磁気センサであり、あるいは振動型ジャイロ装置であり、入力装置４０の操作空間内での姿勢や操作空間上での位置を検知することができる。
【００６０】
圧覚生成部３０Ａでは、モータ３５Ａの回転を制御することにより、移動部材３２Ａを任意の位置へ移動させて、その位置で停止させることができる。例えば、支持体３３Ａをケース４１から最大限まで突出させた位置で停止させることができ、又は、支持体３３Ａをケース４１の内部に最大限に後退させた位置で停止させることができる。また、支持体３３Ａを最大突出位置と最大後退位置の中間の任意の位置で停止させることもできる。したがって、支持体３３Ａ上に固定された触覚生成部２０に対して圧力情報を与えることができ、これにより、触覚呈示面としての接触検知部２４上に圧力情報を呈示することが可能となる。
【００６１】
また、モータ３５Ａに与える電力を制御することにより、ケース４１から突出している支持体３３Ａを指で押しても動かないように、モータ３５Ａのロータを強い力で保持させることができる。
【００６２】
さらに、モータ３５Ａの回転による支持体３３Ａの上下動は、振動素子２１による振動とは異なる周波数や振幅（変位量）で行わせることが好ましい。例えば、支持体３３Ａの上下動の周波数の３倍の周波数の振動情報を振動素子２１で生成させ、これと同時に、振動素子２１が発生する振動の振幅を支持体３３Ａの変位量の１／１０にすることにより、より細かな触覚呈示を実現することができる。
【００６３】
移動部材３２Ａが移動できる状態のときに、支持体３３Ａが押されて移動部材３２Ａが押し込み方向へ移動すると、その移動位置が位置検知部３８Ａで検知されて、その検知出力が制御部１２に与えられる。制御部１２には、反力付与制御のために、移動距離と反力との関係を示す反力作用線（反力作用係数）に関するデータが保持されており、支持体３３Ａの押し込み位置に応じて、モータ３５Ａが前記反力作用線に応じたトルクを発生するように制御される。これによって、支持体３３Ａを押圧している指に反力が与えられる。
【００６４】
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。以下の例では入力装置４０の触覚呈示装置１０Ａの操作に関して説明するが、触覚呈示装置１０Ｂ、１０Ｃについても同様である。
【００６５】
接触検知部２４に指が接触したことが検知されたとき、又は、接触検知部２４に接触した指の動きによって所定の操作が行われたことが検知されたとき、制御部１２は、検知結果に応じて、（１）ペルチェ素子２３に温冷情報を呈示させるために、ペルチェ素子駆動回路２６に対して温冷制御信号を与え、（２）振動素子２１に振動情報を呈示させるために振動素子駆動回路２５に対して振動制御信号を与え、（３）モータ３５Ａを駆動させるためにモータ駆動回路３９Ａに対してモータ制御信号を与え、（４）表示装置５１Ａに所定の情報を表示させるために表示ドライバ回路５２Ａに対して表示制御信号を与え、又は、表示装置５１Ｂに所定の情報を表示させるために表示ドライバ回路５２Ｂに対して表示制御信号を与える。
【００６６】
また、触覚生成部２０が押されることによって支持体３３Ａと移動部材３２Ａが押し込み方向に移動し、この移動による位置変化が位置検知部３８Ａで検知されたときも、制御部１２は、検知結果に応じて、ペルチェ素子駆動回路２６、振動素子駆動回路２５、モータ駆動回路３９Ａ、及び、表示ドライバ回路５２Ａ（５２Ｂ）のそれぞれに対して制御信号を与える。
【００６７】
ペルチェ素子駆動回路２６では、与えられた温冷制御信号にしたがって駆動信号が生成され、ペルチェ素子２３に与えられる。これによって、ペルチェ素子２３の表面２３ａにおいて、熱量が変化し、これによって、接触検知部２４を伝わって指で感じる温度が上下し、指に温冷情報が呈示される。
【００６８】
振動素子駆動回路２５では、与えられた振動制御信号にしたがって駆動信号が生成され、振動素子２１に与えられる。これにより、振動素子２１において振動が発生し、振動素子２１での振動は伝導部材２２、ペルチェ素子２３、及び、接触検知部２４を経て、振動情報として指に与えられる。
【００６９】
モータ駆動回路３９Ａでは、与えられたモータ制御信号にしたがって駆動信号が生成され、モータ３５Ａに与えられる。これにより、支持体３３ＡがＺ方向に沿って移動し、又は、移動可能な状態の支持体３３Ａが固定され、これらによって支持体３３Ａ上の触覚生成部２０を介して、接触検知部２４に接触した指に対して圧力情報が呈示される。
【００７０】
ここで、振動素子２１による振動情報、ペルチェ素子２３による温冷情報、及び、モータ３５Ａによる圧力情報は任意に組み合わせることができる。
【００７１】
表示ドライバ回路５２Ａ（５２Ｂ）では、与えられた表示制御信号にしたがって駆動信号が生成され、表示装置５１Ａ（５１Ｂ）に与えられる。これによって、指の接触、操作の動き、押圧動作などに応じて、例えば、表示された画像を変化させることができる。
【００７２】
以上のように構成されたことから、上記実施形態の触覚呈示装置によれば、指の操作状況に応じて、触覚生成部２０の表面に接触した指に対して、振動情報と、温冷情報と、圧力情報とを任意に組み合わせた情報を与えることができるため、より細かく、複雑な触覚を呈示することができ、表示装置５１Ａ、５１Ｂに表示された画像に対応したリアルな触覚を提供することができる。
【００７３】
以下に変形例について説明する。
【００７４】
図８は、変形例に係る触覚呈示装置６０の概略構成を示す斜視図、図９は、図８に示す触覚呈示装置６０に指を接触させたときの側面図である。図８と図９に示す例は、図６と図７に示す触覚呈示装置１０Ａに対する変形例であるが、触覚呈示装置１０Ｂ、１０Ｃについても同様の変形が可能である。
【００７５】
図８と図９に示すように、触覚呈示装置６０は、上記第１実施形態の触覚生成部２０と圧覚生成部３０に加えて、触覚生成部２０Ａの接触検知部２４に接触した指の接触状態を保持する、３つの弾性保持具６１、６２、６３を備える。これらの弾性保持具６１、６２、６３は、Ｙ方向において一定の間隔で順に配置され、それぞれがＸ方向に沿って帯状に延びている。第１の弾性保持具６１と第３の弾性保持具６３は、帯状体の端部６１Ａ、６３Ａが、支持体３３Ａの側面３３１にそれぞれ固定されており、Ｚ方向上側に凸となり、かつ、触覚生成部２０Ａの接触検知部２４との間に空間Ｓ（図９）を形成するように湾曲して延び、先端部６１Ｂ、６３ＢがＸ方向において前記側面３３１に対向する側面３３２側までそれぞれ延びている。また、第２の弾性保持具６２は、帯状体の端部６２Ａが、上記側面３３２に固定されており、Ｚ方向上側に凸となり、かつ、触覚生成部２０Ａの接触検知部２４との間に空間Ｓを形成するように湾曲して延び、先端部６２Ｂが前記側面３３１側まで延びている。弾性保持具６１、６２、６３と支持体３３Ａとの固定は接着などによって行う。
【００７６】
３つの弾性保持具６１、６２、６３は、例えばゴム材やばね材で構成され、接触検知部２４との間に操作者の指Ｆが挿入されたときに、指Ｆを上から接触検知部２４側へ押しつけるような弾性力を有する（図９参照）。これにより、指Ｆと接触検知部２４とを確実に互いに接触させることができ、接触検知部２４上に呈示した細かな触覚を指Ｆに正確に伝達することが可能となる。また、第１の弾性保持具６１及び第３の弾性保持具６３と、第２の弾性保持具６２とが支持体３３Ａの異なる側面に固定されているため、バランスよく指Ｆを押さえることができる。さらにまた、弾性保持具６１、６２、６３がＹ方向において間隔をおいて配置されているため、接触検知部２４との間の空間に指Ｆを挿入しやすく、また、指Ｆに与える圧迫感を少なくすることができる。
【００７７】
なお、弾性保持具の形状、数、及び、配置は、空間Ｓに挿入した指を接触検知部２４に押しつけつつ保持できれば、図８と図９に示すものに限定されない。
【００７８】
また、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ペルチェ素子と、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。
【００７９】
さらにまた、ペルチェ素子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、もしくは下降させると、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。
【００８０】
＜第２実施形態＞
図１０は第２実施形態に係る触覚呈示装置１１０の概略構成を示す側面図、図１１は触覚呈示装置１１０の概略構成を示す平面図である。
【００８１】
第２実施形態の触覚呈示装置１１０においては、第１実施形態の圧覚生成部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃに代えて、触覚生成部２０を傾斜させることが可能な圧覚生成部１３０を用いる点が第１実施形態と異なる。触覚生成部２０の構成及び接触領域Ａは第１実施形態と同様であるため同じ参照符号を使用する。
【００８２】
図１０又は図１１に示すように、圧覚生成部１３０は、固定材１３１と、固定材１３１上に配置されたピン状の５つのエアシリンダ１３２Ａ、１３２Ｂ、１３２Ｃ、１３２Ｄ、１３２Ｅと、これらのうちの４つエアシリンダ１３２Ａ〜１３２Ｄに支持された基材１３３とを備える。固定材１３１と基材１３３は、平面視矩形状をなしており、合成樹脂材料で形成されている。基材１３３の上面１３３Ａには触覚生成部２０が固定されている。
【００８３】
４つのエアシリンダ１３２Ａ、１３２Ｂ、１３２Ｃ、１３２Ｄは、Ｚ方向に沿ってそれぞれ伸縮自在であり、下部が固定材１３１の上面１３１Ａにそれぞれ固定され、上端面は基材１３３の下面１３３Ｂに固定されている。図１１に示すように、これらのエアシリンダ１３２Ａ〜１３２Ｄは、平面視矩形状の振動素子２１の４つの角部に対応する位置にそれぞれ配置されており、制御部１２からの制御信号にしたがって、互いに独立して駆動される。これによって、基材１３３上に固定された触覚生成部２０は、エアシリンダ１３２Ａ〜１３２Ｄの伸縮量が互いに同じときにはＺ方向に沿って移動し、また、エアシリンダ１３２Ａ〜１３２Ｄそれぞれの伸縮量が異なるときは、伸縮量の違いに基づいて所定の角度に傾斜する。すなわち、圧覚生成部１３０は、姿勢制御部として、触覚生成部２０を上下動させ、又は、傾動させる。
【００８４】
また、触覚生成部２０及び基材１３３を、スポンジその他の軟性材料で構成し、突き上げピンとしての４つのエアシリンダ１３２Ａ、１３２Ｂ、１３２Ｃ、１３２Ｄの上下動に応じて、接触検知部２４の表面の対応部分をそれぞれＺ方向（上下方向）に凹凸変形可能とすると、触覚生成部２０の上下移動や傾斜だけでなく、接触検知部２４の触覚呈示面の形状を変化させることができるため、より細かな圧力情報の呈示が可能となる。
【００８５】
エアシリンダ１３２Ｅは、基材１３３、振動素子２１、伝導部材２２、ペルチェ素子２３、及び、接触検知部２４をＺ方向に沿って貫通する孔部１３４に挿通され、Ｚ方向に沿って伸縮自在であり、下部が固定材１３１の上面１３１Ａに固定されている。図１０と図１１に示す例では、平面視において接触検知部２４の中央に配置されているが、孔部及びこれに挿通されるエアシリンダの数と配置はこれに限定されない。
【００８６】
エアシリンダ１３２Ｅは、制御部１２からの制御信号にしたがって駆動され、突き上げピンとして、伸張した状態では接触検知部２４よりも上側へ突出し、収縮した状態では触覚生成部２０内に収まるという２つの状態を実現できる。これによって、指に対して直接、ピン形状で突き上げることができるため、例えば複数のピンを組み合わせるとでこぼこ感を呈示することが可能となる。また、エアシリンダ１３２Ｅの伸縮は上記２つの状態に限定されず、３つ以上の伸縮状態に制御することによって、より複雑な圧力情報の呈示ができる。
【００８７】
ここで、エアシリンダの数や配置は任意に設定できる。また、エアシリンダに代えて、水圧や圧電効果によってＺ方向に沿って変位可能なアクチュエータを複数配置する構成も可能である。
【００８８】
さらにまた、触覚生成部２０を支持した状態の圧覚生成部１３０を第１実施形態の圧覚生成部３０上に配置することによって、２つの圧覚生成部３０、１３０による圧力情報の呈示を組み合わせてもよい。
【００８９】
なお、その他の作用、効果、変形例は第１実施形態と同様である。
【００９０】
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。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
以上のように、本発明に係る触覚呈示装置は、振動情報、温冷情報、及び、圧力情報を呈示でき、より細かな触覚呈示が実現できる点で有用である。【００９２】
本出願は２０１７年２月６日に出願した日本国特許出願第２０１７−０１９１９３号に基づくものであり、その全内容は参照することによりここに組み込まれる。
【符号の説明】
【００９３】
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ  触覚呈示装置
１２    制御部
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ  触覚生成部
２１    振動素子
２２    伝導部材
２３    ペルチェ素子
２３ａ  表面
２４    接触検知部
２５    振動素子駆動回路
２６    ペルチェ素子駆動回路
３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ  圧覚生成部
３１    フレーム
３１ａ、３１ｂ  側壁部
３１ｃ  案内長穴
３２Ａ  移動部材
３２ａ  摺動突部
３２ｂ  凹部
３２ｃ  ラック部
３３、３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ  支持体
３４    圧縮コイルばね
３５Ａ  モータ
３６ａ  出力歯車
３６ｂ  減速歯車
３７    ギヤボックス
３７ａ  ピニオン歯車
３８Ａ  位置検知部
３９Ａ  モータ駆動回路
４０    入力装置
４０Ａ、４０Ｂ  コード
４１    ケース
４２    上部ケース
４２ａ  第１の面
４３    下部ケース
４３ａ  第２の面
４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ  操作穴
４６    コネクタ装着穴
４６Ｂ  信号コネクタ
４７    電源プラグ装着穴
４７Ｂ  電源プラグ
５１Ａ、５１Ｂ  表示装置
５１１  マスク型本体
５１２  ストラップ
５２Ａ、５２Ｂ  表示ドライバ回路
６０    触覚呈示装置
６１、６１、６３  弾性保持具
６１Ａ、６２Ａ、６３Ａ  端部
６１Ｂ、６２Ｂ、６３Ｂ  先端部
１１０  触覚呈示装置
１３０  圧覚生成部
１３１  固定材
１３２Ａ、１３２Ｂ、１３２Ｃ、１３２Ｄ  エアシリンダ
１３３  基材
Ａ    接触領域
Ｆ    指（操作体）
【図１】
0006749429.tif 000002
【図２】
0006749429.tif 000003
【図３】
0006749429.tif 000004
【図４】
0006749429.tif 000005
【図５】
0006749429.tif 000006
【図６Ａ】
0006749429.tif 000007
【図６Ｂ】
0006749429.tif 000008
【図７】
0006749429.tif 000009
【図８】
0006749429.tif 000010
【図９】
0006749429.tif 000011
【図１０】
0006749429.tif 000012
【図１１】
0006749429.tif 000013