(57)【要約】触覚呈示装置は、振動情報を呈示する振動素子と、振動素子上に設けられ、触覚呈示面に温冷情報を呈示する温冷呈示素子と、触覚呈示面に対する操作体の接触状態に対応する圧力を検知する圧力検知部と、圧力検知部による検知結果に基づいて呈示条件を調整する調整部とを備える。調整部は、呈示条件として、振動情報及び温冷情報の少なくとも一方を調整する。
2018143021.tif 000002
【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、前記振動素子上に設けられ、触覚呈示面に温冷情報を呈示する温冷呈示素子と、前記触覚呈示面に対する操作体の接触状態に対応する圧力を検知する圧力検知部と、前記圧力検知部による検知結果に基づいて呈示条件を調整する調整部とを備えることを特徴とする触覚呈示装置。
【請求項２】
前記調整部は、前記呈示条件として、前記振動情報及び前記温冷情報の少なくとも一方を調整する請求項１に記載の触覚呈示装置。
【請求項３】
前記圧力検知部は、前記触覚呈示面上に設けられており、前記触覚呈示面が前記操作体から受ける圧力を検知する請求項２に記載の触覚呈示装置。
【請求項４】
前記触覚呈示面に対する接触状態を維持するように操作体を保持する保持部材を備え、前記圧力検知部は、前記保持部材が前記操作体に接触する接触面に設けられており、前記接触面が前記操作体から受ける圧力を検知する請求項２又は請求項３に記載の触覚呈示装置。
【請求項５】
前記調整部は、前記呈示条件として、前記触覚呈示面に接触した前記操作体に与える圧力を調整する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の触覚呈示装置。
【請求項６】
前記触覚呈示面に対する接触状態を維持するように操作体を保持する保持部材と、前記触覚呈示面を変位させる変位部を備え、前記調整部は、前記圧力検知部による検知結果に基づいて、前記変位部によって前記触覚呈示面を変位させ、これによって、前記保持部材によって保持された前記操作体に与える圧力を調整する請求項５に記載の触覚呈示装置。
【請求項７】
前記圧力検知部は、静電容量の変化によって圧力を検知する静電検知部である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の触覚呈示装置。
【請求項８】
前記圧力検知部は、抵抗値の変化によって圧力を検知する抵抗式検知部である請求項１から請求項６のいずれか１項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、同じ振動や温度を呈示していても、装置に対する操作者の手の接触状態の違いによって、操作者は異なる触覚を感じてしまうため、意図していた触覚をリアルに伝導させることは困難であった。【０００５】
そこで本発明は、触覚を呈示する触覚呈示面に対する操作体の接触状態に応じて、呈示する触覚を調整でき、これによって、よりリアルな触覚を呈示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、振動素子上に設けられ、触覚呈示面に温冷情報を呈示する温冷呈示素子と、触覚呈示面に対する操作体の接触状態に対応する圧力を検知する圧力検知部と、圧力検知部による検知結果に基づいて呈示条件を調整する調整部とを備えることを特徴としている。【０００７】
これにより、触覚呈示面に対する操作体の接触状態に応じて、呈示する触覚を調整することが可能となり、よりリアルな触覚を呈示することができる。例えば、基準値よりも接触圧が低いときは振動情報や温冷情報を通常よりも強く与え、又は、接触圧を高めるように制御する。また、基準値よりも接触圧が高いときは振動情報や温冷情報を弱く与え、又は、接触圧を下げるように制御する。これによって、操作体の接触状態によらずに、意図どおりの一定の触覚を呈示することができる。【０００８】
本発明の触覚呈示装置において、調整部は、呈示条件として、振動情報及び温冷情報の少なくとも一方を調整することが好ましい。【０００９】
これにより、触覚呈示面に対する操作体の接触状態に応じて、振動情報及び温冷情報を校正することができ、リアルな触覚呈示に資することが可能となる。【００１０】
本発明の触覚呈示装置において、圧力検知部は、触覚呈示面上に設けられており、触覚呈示面が操作体から受ける圧力を検知することが好ましい。【００１１】
これにより、触覚呈示面に対する操作体の接触状態を精度良く検知すること可能となる。【００１２】
本発明の触覚呈示装置において、触覚呈示面に対する接触状態を維持するように操作体を保持する保持部材を備え、圧力検知部は、保持部材が操作体に接触する接触面に設けられており、接触面が操作体から受ける圧力を検知することが好ましい。【００１３】
これにより、調整部による調整後も触覚呈示面に対する接触状態を確実に維持できるため、呈示された触覚を正確かつ迅速に操作体に伝達することができる。【００１４】
本発明の触覚呈示装置において、調整部は、呈示条件として、触覚呈示面に接触した操作体に与える圧力を調整することが好ましい。【００１５】
これにより、触覚呈示面に対する操作体の接触状態が調整可能となるため、リアルな触覚呈示が可能となる。【００１６】
本発明の触覚呈示装置において、触覚呈示面に対する接触状態を維持するように操作体を保持する保持部材と、触覚呈示面を変位させる変位部を備え、調整部は、圧力検知部による検知結果に基づいて、変位部によって触覚呈示面を変位させ、これによって、保持部材によって保持された操作体に与える圧力を調整することが好ましい。【００１７】
これにより、触覚呈示面の変位で操作体の接触圧を調整できるため、リアルな触覚呈示が可能となる。【００１８】
本発明の触覚呈示装置において、圧力検知部は、静電容量の変化によって圧力を検知する静電検知部であることが好ましい。【００１９】
これにより、サイズとコストを抑えつつ、精度の高い圧力検知部を実現することができる。【００２０】
本発明の触覚呈示装置において、圧力検知部は抵抗値の変化によって圧力を検知する抵抗式検知部であることが好ましい。【００２１】
これにより、実際に加わった荷重レベルを検知できるため耐ノイズ性に優れた圧力検知が可能となり、また、簡単な構成であるため搭載が容易となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によると、触覚呈示面に対する操作体の接触状態に応じて、呈示する触覚を調整することが可能となり、よりリアルな触覚を呈示することができる。
【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を上方から見た斜視図である。
【図４】第１実施形態における圧力検知部に指を接触させたときの側面図である。
【図５】第１実施形態に係る触覚呈示装置の機能ブロック図である。
【図６】本発明の第２実施形態における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７】本発明の第２実施形態における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８Ａ】図６と図７に示す入力装置の構成を示す斜視図である。
【図８Ｂ】図６と図７に示す入力装置の構成を示す斜視図である。
【図９】図６〜図８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１０】図９に示す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】
【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、図１に示す触覚呈示装置１０を上方から見た斜視図、図４は、圧力検知部２４に指Ｆを接触させたときの側面図、図５は、触覚呈示装置１０の機能ブロック図である。図１〜図４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。図２においては、説明の便宜上、保持部材１１、１２、１３を破線で示している。
【００２５】
触覚呈示装置１０は、図１に示すように、支持体３３上に触覚生成部２０が配置されるとともに、図３に示すように、支持体３３に３つの保持部材１１、１２、１３を設けた構成を備える。
【００２６】
図１に示すように、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、圧力検知部２４を備える。振動素子２１は支持体３３上に載置され、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、圧力検知部２４が設けられている。
【００２７】
３つの保持部材１１、１２、１３は、その弾性によって、触覚生成部２０の圧力検知部２４に接触した指の接触状態を維持する。これらの保持部材１１、１２、１３は、平面視矩形状の触覚生成部２０の長手方向（図示Ｙ方向）において一定の間隔で順に配置され、それぞれが、触覚生成部２０の幅方向（図示Ｘ方向）に沿って帯状に延びている。第１の保持部材１１と第３の保持部材１３は、帯状体の長手方向の一方の端部１１Ａ、１３Ａが、支持体３３の側面３３１に対して接着等によって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２０の圧力検知部２４との間に空間Ｓ１（図１）を形成するように湾曲して延びている。さらに、他方の端部である先端部１１Ｂ、１３Ｂ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の保持部材１２は、帯状体の一方の端部１２Ａ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２０の圧力検知部２４との間に空間Ｓ１を形成するように湾曲して延び、他方の端部である先端部１２Ｂが前記側面３３１側まで延びている。
【００２８】
３つの保持部材１１、１２、１３は、弾性を有した材料、例えばゴム材、スポンジ材、又は、ばね材で構成され、圧力検知部２４との間の空間Ｓ１に操作者の指Ｆが挿入されたときに、指Ｆを上から圧力検知部２４側へ押しつけるような弾性力を有する。これにより、指Ｆと圧力検知部２４とを確実に互いに接触させ、かつ、この接触状態を維持させることができ、圧力検知部２４上に呈示した細かな触覚を指Ｆに正確かつ迅速に伝達することが可能となる。また、第１の保持部材１１及び第３の保持部材１３と、第２の保持部材１２とが支持体３３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、保持部材１１、１２、１３がＹ方向において間隔をおいて配置されているため、圧力検知部２４との間の空間Ｓ１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。
【００２９】
なお、保持部材の形状、数、及び、配置は、空間Ｓ１に挿入した指と圧力検知部２４との接触状態を維持できるように保持できれば、図１〜図４に示すものに限定されない。
【００３０】
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１５（図５）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。
【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１５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を経て圧力検知部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（図５）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１５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。
【００３６】
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。
【００３７】
図１に示すように、ペルチェ素子２３の表面２３ａには、圧力検知部２４が固定されている。この圧力検知部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。
【００３８】
圧力検知部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。圧力検知部２４は、静電検知部であり、前記基板上において、上下方向（Ｚ方向）において互いに対向するように配置された２つの電極を設けた構成を有しており、上側の電極、すなわち上記触覚呈示面に操作体としての指が接触する。この圧力検知部２４では、操作体としての指が上側の電極に接触すると、その接触状態に対応する圧力としての接触圧によって電極間の距離が変化し、この変化量に対応して電極間の静電容量が変化する。圧力検知部２４で検知された静電容量は、制御部１５（図５）へ出力され、静電容量の変化量に基づいて、指の接触圧の変化量が算出される。
【００３９】
ここで、互いに対向する電極の対を、Ｘ−Ｙの面方向に複数並べると、相互容量検知型、又は、自己容量検知型の接触検知部としても用いることができる。この場合、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、圧力検知部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、圧力検知部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、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することができる。
【００４０】
圧力検知部２４による検知結果は制御部１５へ出力され、制御部１５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へ制御信号を与える。ここで、制御部１５は、調整部として、圧力検知部２４による検知結果に基づいて、触覚の呈示条件としての振動情報と温冷情報の少なくとも一方を調整する。より具体的には、圧力検知部２４に対する指の接触圧が所定範囲内にある場合と、前記所定範囲を上回る場合とで、異なる振動情報や温冷情報を呈示させる。また、前記所定範囲を下回る場合は、所定範囲内にある場合及び所定範囲を上回る場合のいずれとも異なる振動情報や温冷情報を呈示させる、または、接触圧を上げるように操作者に警告するようにしてもよい。このような調整によって、接触圧が異なっても、操作者に呈示する触覚を一定に維持することが可能となる。または、接触圧に応じて触覚を変化させることによって、例えば、仮想的な触覚をリアルに呈示することができる。
【００４１】
図２に示すように、平面視において、圧力検知部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は指の腹が圧力検知部２４に接触する範囲に対応する。圧力検知部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、圧力検知部２４の領域の方が広くても良い。ただし、指が圧力検知部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】
なお、圧力検知部としては、上述のように静電容量を検知する静電式のほか、例えば、歪みゲージなどのように電気抵抗の変化を検知する抵抗式のもの、ダイアフラムゲージなどのようなＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）センサ、さらに、圧電素子を用いた圧電式によるものも可能である。  ここで、上記静電式の圧力検知においては、特に無負荷で検知が可能であり、また、例えば、指が触れた場合に、実際に触れた部分と浮いている箇所までの検知が可能であるため、広い範囲を高精度で検知できることから、高いレベルの接触分布を得ることができる。一方、抵抗式の圧力検知においては、実際に加わった荷重レベルを検知できるため耐ノイズ性に優れており、さらに、静電式と比べて簡単な構成であるため搭載が容易である。
【００４３】
また、触覚生成部２０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、支持体３３側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、支持体３３側のスイッチやセンサが圧力検知部として機能する。
【００４４】
圧力検知部としては、ペルチェ素子２３上に設ける形態のほか、保持部材１１、１２、１３の内面、すなわち圧力検知部２４の表面に接触した指に接触する接触面に設けても良い。これにより、前記接触面が指から受ける圧力を検知することが可能となる。この圧力は、操作体としての指が触覚呈示面に接触した接触圧に対応しており、この検知結果に基づいて触覚の呈示条件を調整することができる。
【００４５】
さらに、圧力検知部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。
【００４６】
また、保持部材１１、１２、１３を省略する構成も可能である。この場合も、例えば、指や手の力の強さ、指の太さや硬さ、その他の要因により触覚生成部２０に対する接触圧が大きく又は小さくなった場合に、接触圧に応じた触覚を呈示することができる。
【００４７】
以上のように構成されたことから、第１実施形態の触覚呈示装置１０によれば、触覚呈示面としての圧力検知部２４との接触圧を検知でき、圧力検知部２４に接触した指に対して、前記接触圧に応じて調整した、振動情報と温冷情報を任意に組み合わせた情報を与えることができる。このため、より細かく、複雑でリアルな触覚を呈示することができる。さらに、弾性を備えた保持部材１１、１２、１３によって指Ｆを保持しているため、接触圧に応じて調整した振動情報と温冷情報が確実に伝わりやすくなる。
＜第２実施形態＞
図６は、第２実施形態における入力装置４０と表示装置５１Ａの第１の使用形態の例を示す図、図７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８Ａ及び図８Ｂは、図６と図７に示す入力装置４０の構成を示す斜視図であり、図８Ａは入力装置４０を上側から見た図、図８Ｂは入力装置４０を下側から見た図である。図９は、図６〜図８に示す入力装置４０における触覚呈示装置１０Ａの構成を示す分解斜視図である。図１０は、触覚呈示装置１０Ａの機能ブロック図である。
【００４８】
図６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（図１０）が設けられ、この表示ドライバ回路５２Ａは制御部１５によって制御される。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。
【００４９】
図７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（図１０）が設けられ、この表示ドライバ回路５２Ｂは制御部１５によって制御される。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８Ａ及び図８Ｂ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８Ａ及び図８Ｂ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６と図７に示す使用状態では、入力装置４０は、図８Ａ及び図８Ｂ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。
【００５０】
図８Ａ及び図８Ｂ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。
【００５１】
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、圧力検知部２４Ａ、２４ＢがＺ方向上側となるように配置され、触覚生成部２０Ｃは圧力検知部２４ＣがＺ方向下側となるように配置される。
【００５２】
ここで、圧覚生成部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃのそれぞれにおける支持体３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃは、図１、図３、及び、図４に示す支持体３３に対応する。また、触覚生成部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃにおける圧力検知部２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃは、第１実施形態の触覚生成部２０の圧力検知部２４と同様の構成を備える。
【００５３】
触覚呈示装置１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは、第１実施形態の保持部材１１、１２、１３と同様の保持部材をそれぞれ備えている。触覚呈示装置１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃのそれぞれにおける保持部材は互いに同様の構成を備えており、例えば触覚呈示装置１０Ａでは、図８Ａにおいて破線で示すように、３つの保持部材１０１、１０２、１０３が平面視矩形状の触覚生成部２０Ａの長手方向（図示Ｙ方向）において一定の間隔で順に配置され、それぞれが、触覚生成部２０Ａの幅方向（図示Ｘ方向）に沿って帯状に延びている。第１の保持部材１０１と第３の保持部材１０３は、帯状体の長手方向の一方の端部１０１Ａ、１０３Ａが、上部ケース４２の第１の面４２ａに対して接着等によって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の圧力検知部２４Ａとの間に空間を形成するように湾曲して延びている。また、第２の保持部材１０２は、帯状体の一方の端部１０２Ａが、上記第１の面４２ａ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の圧力検知部２４Ａとの間に空間を形成するように湾曲して延びている。
【００５４】
図示は省略しているが、触覚呈示装置１０Ｂ、１０Ｃにおいても触覚呈示装置１０Ａと同様に、３つの保持部材がそれぞれ配置され、触覚呈示装置１０Ｂにおいては上部ケース４２の第１の面４２ａに固定され、触覚呈示装置１０Ｃにおいては下部ケース４３の第２の面４３ａに固定される。また、図６、図７、及び、図８Ｂにおいて、上記保持部材１０１、１０２、１０３の図示を省略している。
【００５５】
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は互いに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。
【００５６】
図９に示すように、触覚呈示装置１０Ａは、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。
【００５７】
上記フレーム３１には移動部材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８Ａ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。
【００５８】
図９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。
【００５９】
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１０に示すように、モータ３５Ａは、制御部１５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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。  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。
【００６２】
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の駆動によって支持体３３Ａを上下に移動させ、これによって、圧力検知部２４Ａの触覚呈示面を図示Ｚ方向に沿って上下動させることができる。
【００６３】
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１５に接続されており、検知結果に基づいて、制御部１５において支持体３３Ａ上に固定された触覚生成部２０Ａの圧力検知部２４Ａ上の触覚呈示面の位置が算出される。
【００６４】
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。
【００６５】
図８Ａ及び図８Ｂに示すように、第１の支持体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。
【００６６】
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、圧覚生成部３０Ａは、変位部として、触覚呈示面を上下に変位させることができ、これによって、支持体３３Ａ上に固定された触覚生成部２０Ａに対して圧力情報を与えて、触覚呈示面としての圧力検知部２４Ａ上に圧力情報を呈示することが可能となる。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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１５に与えられる。制御部１５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。
【００７０】
図１０に示すように、圧力検知部２４Ａによる検知結果は制御部１５へ出力され、制御部１５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圧力検知部２４Ａ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。
【００７１】
ここで、調整部としての制御部１５は、圧力検知部２４Ａによる検知結果に基づいて、触覚の呈示条件として、触覚呈示面に接触した操作体としての指に与える圧力を調整している。より具体的には、圧力検知部２４Ａに対する指の接触圧が所定範囲内にある場合と、前記所定範囲を上回る場合とで、モータ３５Ａの駆動条件を変更し、触覚呈示面に呈示する圧力情報を異なるものとし、触覚呈示面に対する指の接触圧を調整する。また、前記所定範囲を下回る場合は、所定範囲内にある場合及び所定範囲を上回る場合のいずれとも異なる圧力情報を呈示させる、または、接触圧を上げるように操作者に警告するようにしてもよい。このような調整によって、接触圧が異なっても、操作者に呈示する触覚を一定に維持することが可能となる。または、接触圧に応じて触覚を変化させることによって、例えば、仮想的な触覚をリアルに呈示することができる。
【００７２】
さらに、制御部１５は、第１実施形態と同様に、圧力検知部２４Ａによる検知結果に基づいて、触覚の呈示条件として、振動情報と温冷情報の少なくとも一方を調整してもよい。これによって、圧力情報に加えて、振動情報と温冷情報を含んだ触覚によって、指の接触圧に応じたよりリアルな触覚を呈示することができる。
【００７３】
第２実施形態においては、モータ３５Ａの駆動によって触覚生成部２０Ａを上下に変位させ、これによって操作体としての指に与える圧力を調整していたが、触覚生成部２０Ａの変位はほかの手段によって変位させてもよい。例えば、エアシリンダ、水圧や圧電効果によるアクチュエータを用いて変位させることもできる。
【００７４】
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。
【００７５】
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】
【００７６】
以上のように、本発明に係る触覚呈示装置は、触覚呈示面に対する操作体の接触状態に応じた最適な触覚を呈示できる点で有用である。【００７７】
本出願は２０１７年２月６日に出願した日本国特許出願第２０１７−０１９１９６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】
【００７８】
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ  触覚呈示装置
１１、１２、１３  保持部材
１５    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、２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ  圧力検知部
２５    振動素子駆動回路
２６    ペルチェ素子駆動回路
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
１０１、１０２、１０３  保持部材
５１１  マスク型本体
５１２  ストラップ
５２Ａ、５２Ｂ  表示ドライバ回路
Ａ    接触領域
Ｆ    指（操作体）
【図１】
2018143021.tif 000003
【図２】
2018143021.tif 000004
【図３】
2018143021.tif 000005
【図４】
2018143021.tif 000006
【図５】
2018143021.tif 000007
【図６】
2018143021.tif 000008
【図７】
2018143021.tif 000009
【図８Ａ】
2018143021.tif 000010
【図８Ｂ】
2018143021.tif 000011
【図９】
2018143021.tif 000012
【図１０】
2018143021.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成31年3月18日(2019.3.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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、前記振動素子上に設けられ、触覚呈示面に温冷情報を呈示する温冷呈示素子と、前記触覚呈示面に対する操作体の接触状態に対応する圧力を検知する圧力検知部と、前記圧力検知部による検知結果に基づいて呈示条件を調整する調整部とを備えることを特徴とする触覚呈示装置。
【請求項２】
前記調整部は、前記呈示条件として、前記振動情報及び前記温冷情報の少なくとも一方を調整する請求項１に記載の触覚呈示装置。
【請求項３】
前記圧力検知部は、前記触覚呈示面上に設けられており、前記触覚呈示面が前記操作体から受ける圧力を検知する請求項２に記載の触覚呈示装置。
【請求項４】
前記触覚呈示面に対する接触状態を維持するように操作体を保持する保持部材を備え、前記圧力検知部は、前記保持部材が前記操作体に接触する接触面に設けられており、前記接触面が前記操作体から受ける圧力を検知する請求項２又は請求項３に記載の触覚呈示装置。
【請求項５】
前記調整部は、前記呈示条件として、前記触覚呈示面に接触した前記操作体に与える圧力を調整する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の触覚呈示装置。
【請求項６】
前記触覚呈示面に対する接触状態を維持するように操作体を保持する保持部材と、前記触覚呈示面を変位させる変位部を備え、前記調整部は、前記圧力検知部による検知結果に基づいて、前記変位部によって前記触覚呈示面を変位させ、これによって、前記保持部材によって保持された前記操作体に与える圧力を調整する請求項５に記載の触覚呈示装置。
【請求項７】
前記圧力検知部は、静電容量の変化によって圧力を検知する静電検知部である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の触覚呈示装置。
【請求項８】
前記圧力検知部は、抵抗値の変化によって圧力を検知する抵抗式検知部である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の触覚呈示装置。
【請求項９】
前記変位部が突出するハウジングに前記保持部材の端部を固定したことを特徴とする請求項６に記載の触覚呈示装置。
【請求項１０】
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、触覚呈示面に温冷情報を呈示する温冷呈示素子と、前記触覚呈示面に対する接触状態を維持するように指を保持する保持部材とを備え、前記触覚呈示面を平坦面とし、前記指の腹を前記触覚呈示面に接触させたことを特徴とする触覚呈示装置。
【請求項１１】
前記保持部材は弾性を有することを特徴とする請求項１０に記載の触覚呈示装置。
【国際調査報告】
2018143021.tif 000014
2018143021.tif 000015
2018143021.tif 000016
2018143021.tif 000017