(57)【要約】触知ピン３３を用いる構成であって、物体の表面性状感及び物体のトルク感に相当する触覚を呈示することができる触覚ディスプレイ装置を提供する。  触覚ディスプレイ装置１は、触覚呈示部材３１と、触知ピン３３を備える。触覚呈示部材３１は、所定の第１面上にヒトの手７の指を配置し、第１面に複数の孔を形成する。触知ピン３３は、触覚呈示部材３１の複数の孔からそれぞれ突出し、少なくとも触覚呈示部材３１の第１面に平行な方向に移動可能で、突出端をヒトの手７の指に当接させ、ヒトの手７の指に物体の表面性状感及び物体のトルク感に相当する触覚を呈示する。
2007119603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒトの皮膚に対し、接触可能な第１面に複数の孔を備えた触覚呈示部材と、
前記複数の孔からそれぞれ突出し、少なくとも前記触覚呈示部材の前記第１面に平行な方向に移動可能で、突出端を前記ヒトの皮膚に当接させ、前記ヒトの皮膚に物体の表面性状感及び物体のトルク感に相当する触覚を呈示する複数の触知ピンと、
を備えることを特徴とする触覚ディスプレイ装置。
【請求項２】
前記触知ピンは、前記第１面に平行な直交２軸方向に移動可能な第１触知ピンを備える請求項１記載の触覚ディスプレイ装置。
【請求項３】
前記触知ピンは、
前記第１触知ピンと、
前記第１面に垂直方向に移動可能な第２触知ピンと、
を備える請求項２記載の触覚ディスプレイ装置。
【請求項４】
前記第１触知ピン及び前記第２触知ピンは、それぞれ複数からなり、
複数の前記第１触知ピン及び複数の前記第２触知ピンは、それぞれ市松模様状に配列される請求項３記載の触覚ディスプレイ装置。
【請求項５】
前記触知ピンは、前記第１面に平行な第１の軸方向及び前記第１面に垂直方向に移動可能な第３触知ピンを備える請求項１記載の触覚ディスプレイ装置。
【請求項６】
前記触知ピンは、
前記第３触知ピンと、
前記第１面に平行であって前記第１の軸方向に垂直な第２の軸方向及び前記第１面に垂直方向に移動可能な第４触知ピンと、
を備える請求項５記載の触覚ディスプレイ装置。
【請求項７】
前記第３触知ピン及び前記第４触知ピンは、それぞれ複数からなり、
複数の前記第３触知ピン及び複数の前記第４触知ピンは、それぞれ市松模様状に配列される請求項６記載の触覚ディスプレイ装置。
【請求項８】
前記触知ピンは、前記第１面に平行な直交２軸方向及び前記第１面に垂直方向に移動可能な第５触知ピンを備える請求項１記載の触覚ディスプレイ装置。
【請求項９】
基台に対して少なくとも直交２軸方向に移動可能な作用部材を有する複数の多自由度アクチュエータを備え、
前記触知ピンは、それぞれの前記作用部材に連結され、前記作用部材の前記基台に対する動作に伴い前記触覚呈示部材に対して移動し、
前記多自由度アクチュエータは、アクチュエータ部材を複数備え、
それぞれの前記アクチュエータ部材は、たわみ変形可能な基部と、前記基部の少なくとも一方面に配置され且つ電圧が印加されることにより前記基部の一端側に対して他端側を揺動自在に駆動する圧電素子と、を備える請求項１〜８の何れか一項に記載の触覚ディスプレイ装置。
【請求項１０】
一の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記一端側を他の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記他端側に、当該一の前記アクチュエータ部材の揺動軸が当該他の前記アクチュエータ部材の揺動軸と異なるように固定する請求項９記載の触覚ディスプレイ装置。
【請求項１１】
第１の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記一端側を前記基台に固定し、
第２の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記一端側を前記第１の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記他端側に、当該第２の前記アクチュエータ部材の揺動軸が前記第１の前記アクチュエータ部材の揺動軸と異なるように固定し、
前記作用部材は、前記第２の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記他端側に固定され、
前記多自由度アクチュエータは、２自由度を有する請求項１０記載の触覚ディスプレイ装置。
【請求項１２】
第１の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記一端側を前記基台に固定し、
第２の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記一端側を前記第１の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記他端側に、当該第２の前記アクチュエータ部材の揺動軸が前記第１の前記アクチュエータ部材の揺動軸と異なるように固定し、
第３の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記一端側を前記第２の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記他端側に、当該第３の前記アクチュエータ部材の揺動軸が前記第１及び前記第２の前記アクチュエータ部材の揺動軸と異なるように固定し、
前記作用部材は、前記第３の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記他端側に固定され、
前記多自由度アクチュエータは、３自由度を有する請求項１０記載の触覚ディスプレイ装置。
【請求項１３】
それぞれの前記アクチュエータ部材の前記基部の一端側を前記基台に固定し、
前記多自由度アクチュエータは、一端側をそれぞれの前記基部の前記他端側に回転可能に連結し、他端側を回転可能に相互に連結し合う複数の連結部材をさらに備え、
前記作用部材は、一の前記連結部材の前記他端側に固定され、且つ、他の前記連結部材の前記他端側に回転可能に連結される請求項１〜８の何れか一項に記載の触覚ディスプレイ装置。
【請求項１４】
前記アクチュエータ部材及び前記連結部材は、それぞれ２個であり、
それぞれの前記アクチュエータ部材の揺動軸は、平行であり、
それぞれの前記連結部材の前記一端側は、前記アクチュエータ部材の揺動軸に平行な軸回りに回転可能に連結され、
それぞれの前記連結部材の前記他端側は、前記アクチュエータ部材の揺動軸に平行な軸回りに回転可能に相互に連結し合う請求項１３記載の触覚ディスプレイ装置。
【請求項１５】
前記アクチュエータ部材及び前記連結部材は、それぞれ３個であり、
それぞれの前記連結部材の前記一端側は、それぞれの前記基部の前記他端側にボールジョイント又はユニバーサルジョイントを介して連結され、
それぞれの前記連結部材の前記他端側は、ボールジョイント又はユニバーサルジョイントを介して相互に連結し合う請求項１３記載の触覚ディスプレイ装置。
【請求項１６】
前記アクチュエータ部材の揺動軸回りにおいて、前記基台面上のうち前記基部の前記一端側と前記基台との固定位置から他の前記基部に近接する方向を零度と規定し、前記基部が前記基台面上に垂直となる状態を９０度と規定した場合に、
前記アクチュエータ部材の揺動軸回りにおける前記基部と前記基台面とのなす角度は、３０〜６０度の範囲である請求項１３〜１５の何れか一項に記載の触覚ディスプレイ装置。
【請求項１７】
前記圧電素子に電圧を印加していない状態において、一の前記連結部材と他の前記連結部材とは、屈曲した状態となる請求項１３〜１６の何れか一項に記載の触覚ディスプレイ装置。
【請求項１８】
前記圧電素子に電圧を印加していない状態において、前記連結部材の長さに対するそれぞれの前記連結部材の前記一端側の離間距離の割合は、１．０〜２．０の範囲である請求項１３〜１７の何れか一項に記載の触覚ディスプレイ装置。
【請求項１９】
基台に対して少なくとも２自由度を有する作用部材を備える多自由度アクチュエータであって、
アクチュエータ部材を複数備え、
前記アクチュエータ部材は、たわみ変形可能な基部と、前記基部の少なくとも一方面に配置され且つ電圧が印加されることにより前記基部の一端側に対して他端側を揺動自在に駆動する圧電素子と、を備えることを特徴とする多自由度アクチュエータ。
【請求項２０】
一の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記一端側を他の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記他端側に、当該一の前記アクチュエータ部材の揺動軸が当該他の前記アクチュエータ部材の揺動軸と異なるように固定する請求項１９記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項２１】
第１の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記一端側を前記基台に固定し、
第２の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記一端側を前記第１の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記他端側に、当該第２の前記アクチュエータ部材の揺動軸が前記第１の前記アクチュエータ部材の揺動軸と異なるように固定し、
前記作用部材は、前記第２の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記他端側に固定され、
前記多自由度アクチュエータは、２自由度を有する請求項２０記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項２２】
前記第２の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記一端側を前記第１の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記他端側に、前記第２の前記アクチュエータ部材の揺動軸が前記第１の前記アクチュエータ部材の揺動軸に対して直交するように固定する請求項２１記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項２３】
第１の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記一端側を前記基台に固定し、
第２の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記一端側を前記第１の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記他端側に、当該第２の前記アクチュエータ部材の揺動軸が前記第１の前記アクチュエータ部材の揺動軸と異なるように固定し、
第３の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記一端側を前記第２の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記他端側に、当該第３の前記アクチュエータ部材の揺動軸が前記第１及び前記第２の前記アクチュエータ部材の揺動軸と異なるように固定し、
前記作用部材は、前記第３の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記他端側に固定され、
前記多自由度アクチュエータは、３自由度を有する請求項２０記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項２４】
前記第２の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記一端側を前記第１の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記他端側に、当該第２の前記アクチュエータ部材の揺動軸が前記第１の前記アクチュエータ部材の揺動軸に対して直交するように固定し、
前記第３の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記一端側を前記第２の前記アクチュエータ部材の前記基部の前記他端側に、当該第３の前記アクチュエータ部材の揺動軸が前記第１及び前記第２の前記アクチュエータ部材の揺動軸に対して直交するように固定する請求項２３記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項２５】
それぞれの前記アクチュエータ部材の前記基部の一端側を前記基台に固定し、
前記多自由度アクチュエータは、一端側をそれぞれの前記基部の前記他端側に回転可能に連結し、他端側を回転可能に相互に連結し合う複数の連結部材をさらに備え、
前記作用部材は、一の前記連結部材の前記他端側に固定され、且つ、他の前記連結部材の前記他端側に回転可能に連結される請求項１９記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項２６】
前記アクチュエータ部材及び前記連結部材は、それぞれ２個であり、
それぞれの前記アクチュエータ部材の揺動軸は、平行であり、
それぞれの前記連結部材の前記一端側は、前記アクチュエータ部材の揺動軸に平行な軸回りに回転可能に連結され、
それぞれの前記連結部材の前記他端側は、前記アクチュエータ部材の揺動軸に平行な軸回りに回転可能に相互に連結し合う請求項２５記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項２７】
前記アクチュエータ部材及び前記連結部材は、それぞれ３個であり、
それぞれの前記連結部材の前記一端側は、それぞれの前記基部の前記他端側にボールジョイント又はユニバーサルジョイントを介して連結され、
それぞれの前記連結部材の前記他端側は、ボールジョイント又はユニバーサルジョイントを介して相互に連結し合う請求項２５記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項２８】
前記アクチュエータ部材の揺動軸回りにおいて、前記基台面上のうち前記基部の前記一端側と前記基台との固定位置から他の前記基部に近接する方向を零度と規定し、前記基部が前記基台面上に垂直となる状態を９０度と規定した場合に、
前記アクチュエータ部材の揺動軸回りにおける前記基部と前記基台面とのなす角度は、３０〜６０度の範囲である請求項２５〜２７の何れか一項に記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項２９】
前記圧電素子に電圧を印加していない状態において、一の前記連結部材と他の前記連結部材とは、屈曲した状態となる請求項２５〜２８の何れか一項に記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項３０】
前記圧電素子に電圧を印加していない状態において、前記連結部材の長さに対するそれぞれの前記連結部材の前記一端側の離間距離の割合は、１．０〜２．０の範囲である請求項２５〜２９の何れか一項に記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項３１】
前記作用部材の目標移動量及び前記圧電素子に印加している現在電圧値に基づいて、ニューラルネットワークを用いて電圧変化量を算出する電圧変化量算出部と、
前記電圧変化量を積分して前記圧電素子に印加すべき電圧値を算出し、前記圧電素子に印加する電圧印加部と、
を備える請求項１９〜３０の何れか一項に記載の多自由度アクチュエータ。
【請求項３２】
基台に対して少なくとも直交２軸方向に移動可能な第１作用部材を有する第１の多自由度アクチュエータと、
前記基台に対して少なくとも前記直交２軸方向に移動可能な第２作用部材を有する第２の多自由度アクチュエータと、
前記第１作用部材に連結される第１把持部材と、
前記第２作用部材に連結される第２把持部材と、
を備え、
前記第１の多自由度アクチュエータ及び前記第２の多自由度アクチュエータの少なくとも何れか一方は、
アクチュエータ部材を複数備え、
前記アクチュエータ部材は、たわみ変形可能な基部と、前記基部の少なくとも一方面に配置され且つ電圧が印加されることにより前記基部の一端側に対して他端側を揺動自在に駆動する圧電素子と、を備えることを特徴とするハンドリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触覚ディスプレイ装置、多自由度アクチュエータ、及び、ハンドリング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、遠隔地の環境やコンピュータ内部に構成された仮想の世界に、実際に自分が存在しているかのような感覚を呈示するバーチャルリアリティーの技術が高い注目を集めている。例えば、ロボットなどの産業機器、医療機器、ゲーム機器などに適用が検討されている。
そして、このバーチャルリアリティー技術の一つに、触覚ディスプレイ装置がある。この触覚ディスプレイ装置としては、例えば、特許文献１に開示された技術がある。この触覚ディスプレイ装置は、触覚呈示プレートから突出量が異なるように動作する触知ピンが、アレイ状に集約的に配列されている。つまり、ヒトの指を触覚呈示プレートの表面に配置した場合に、指表面に対して垂直方向に触知ピンを動作させる。これにより、触覚呈示プレートの表面に配置した指に対して、擬似的に凹凸感に相当する触覚を呈示することができる。
しかし、指表面に対して垂直方向に触知ピンを動作させるのみでは、ザラザラ感・ツルツル感などの物体の表面性状感に相当する触覚を擬似的に呈示することは困難であった。
このような物体の表面性状感に相当する触覚を擬似的に呈示する触覚ディスプレイ装置としては、例えば特許文献２に開示されたものがある。特許文献２には、触覚呈示面に静電吸引力を発生させることで、触覚呈示面に物体の表面性状感に相当する触覚を呈示することが記載されている。
【特許文献１】特開平１０−１８７０２５号公報
【特許文献２】特開２００３−２４８５４０号公報
【発明の開示】
【０００３】
しかし、特許文献２に開示された触覚ディスプレイ装置のような静電吸引力によるものでは、より正確な物体の表面性状感に相当する触覚を呈示することは困難である。さらには、物体のトルク感に相当する触覚を呈示することも困難である。ここで、物体のトルク感とは、例えば、ヒトの指で物体を把持している場合に、物体が接触している指表面に垂直な軸回りに物体が指表面に対して相対的に回転する際の感覚である。
従って、複数の触知ピンを用いる構成において、物体の表面性状感及び物体のトルク感に相当する触覚を呈示することが望まれる。そして、特許文献２に開示された触覚ディスプレイ装置は、複数の触知ピンを用いる構成とは異なる構成からなるため、複数の触知ピンを用いる構成からなる触覚ディスプレイ装置に、特許文献２に開示された技術を適用することはできない。
また、触知ピンを用いる構成からなる触覚ディスプレイ装置では、触知ピンがアレイ状に集約的に配列されている。従って、触知ピンを動作させるアクチュエータには、小型化、及び、配列のし易さなどが要求される。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、触知ピンを用いる構成であって、物体の表面性状感及び物体のトルク感に相当する触覚を呈示することができる触覚ディスプレイ装置を提供することを目的とする。さらに、当該触覚ディスプレイ装置に用いることが可能な新規な構成からなる多自由度アクチュエータ、及び、当該多自由度アクチュエータを用いたハンドリング装置を提供することを目的とする。
（１）第１発明
（１．１）触覚ディスプレイ装置の全体構成
そこで、本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、触知ピンをヒトの皮膚に対してせん断方向に移動させるようにする構成にすることを思いつき、本発明を完成するに至った。
すなわち、第１発明の触覚ディスプレイ装置は、触覚呈示部材と、複数の触知ピンとを備えることを特徴とする。ここで、触覚呈示部材は、ヒトの皮膚に対し、接触可能な第１面に複数の孔を備える。触知ピンは、複数の孔からそれぞれ突出し、少なくとも触覚呈示部材の第１面に平行な方向に移動可能で、突出端をヒトの皮膚に当接させ、ヒトの皮膚に物体の表面性状感及び物体のトルク感に相当する触覚を呈示する。
ここで、触覚呈示部材の第１面に平行な方向とは、ヒトの指を触覚呈示部材の第１面上に配置した場合に、指表面に対してせん断方向（水平方向）となる。このように、指表面に対してせん断方向に触知ピンを移動させることができるので、物体の表面性状感に相当する触覚を呈示することができる。例えば、複数の触知ピンを指表面に対して同一せん断方向に同一量移動させることにより、物体の表面性状感に相当する触覚を呈示できる。
さらに、触知ピンは、複数配列されている。従って、これら複数の触知ピンを指表面に対してせん断方向に移動することにより、物体のトルク感に相当する触覚（回転触覚）を呈示することもできる。物体のトルク感とは、上述したように、例えば、指で物体を把持している場合に、物体に接触している指表面に垂直な軸回りに、物体が指表面に対して相対的に回転する場合の触覚である。この物体のトルク感に相当する触覚を呈示するためには、例えば、指元側に配置される触知ピンのせん断方向の移動量と指先側に配置される触知ピンのせん断方向の移動量とを異なるようにすればよい。これは、物体が回転する際に、回転中心は全く移動せず、回転中心から遠ざかるほど移動量が大きくなる。そこで、このことを触知ピンにて呈示することにより、物体のトルク感に相当する触覚を呈示することができる。
ここで、例えば、触覚呈示部材の第１面に平行な１軸方向のみに触知ピンが移動可能である場合には、ヒトの皮膚と仮想物体とが相対的に一方向に移動する場合における物体の表面性状感に相当する触覚を呈示できる。さらには、触覚呈示部材の第１面に平行な１軸方向のみに触知ピンが移動可能である場合には、ヒトの皮膚と仮想物体との回転角度が微小である場合における物体のトルク感に相当する触覚を呈示できる。
しかし、より複雑にヒトの皮膚と仮想物体とが相対移動する場合、及び、ヒトの皮膚と仮想物体との回転角度が大きくなる場合には、触覚呈示部材の第１面に平行な１軸方向のみに触知ピンが移動するのでは、十分に上記触覚を呈示できない場合がある。
そこで、触知ピンは、触覚呈示部材の第１面に平行な直交２軸方向に移動可能な第１触知ピンを備えるようにするとよい。これにより、上記の場合であっても、十分に物体の表面性状感及びトルク感に相当する触覚を呈示することができる。
ここで、物体の表面性状感に相当する触覚をより正確に呈示するには、ヒトの皮膚に対して触知ピンがせん断方向及び垂直方向への移動の組み合わせが必要となる。具体的には、直値ピンのせん断方向の移動量と垂直方向の移動量との比を変化させることで、種々の物体の表面性状感に相当する触覚を呈示できると考えられる。例えば、物体の表面性状感のうちザラザラ感に相当する触覚は、触知ピンのせん断方向の移動量に対する垂直方向の移動量の割合が大きい場合であると考えられる。また、物体の表面性状感のうちツルツル感に相当する触覚は、触知ピンのせん断方向の移動量に対する垂直方向の移動量の割合が小さい場合であると考えられる。
そこで、触知ピンは、触覚呈示部材の第１面に平行な直交２軸方向に移動可能な第１触知ピンと、触覚呈示部材の第１面に垂直方向に移動可能な第２触知ピンとを備えるようにするとよい。このように第１触知ピンと第２触知ピンとにより、全体として直交３軸方向へ移動することができるので、より正確に物体の表面性状感に相当する触覚を呈示できる。
この場合、第１触知ピン及び第２触知ピンは、それぞれ複数からなり、複数の第１触知ピン及び複数の第２触知ピンは、それぞれ市松模様状に配列されるようにするとよい。市松模様状とは、第１触知ピンと第２触知ピンが交互に配列された状態である。これにより、触知ピンのせん断方向の移動と垂直方向の移動とをバランス良く行うことができる。
また、表面性状感のうち、ヒトの皮膚と仮想物体とが相対的に一方向に移動する場合における物体の表面性状感のみに相当する触覚をすればよいケースがある。このような場合に、触知ピンは、触覚呈示部材の第１面に平行な第１の軸方向及び第１面に垂直方向に移動可能な第３触知ピンを備えるようにすればよい。すなわち、第３触知ピンは、触覚呈示部材の第１面に平行な第１の軸方向及び触覚呈示部材の第１面に垂直方向に移動するので、ヒトの皮膚と仮想物体とが相対的に一方向に移動する場合には、より正確に物体の表面性状に相当する触覚を呈示できる。
この場合、触知ピンは、触覚呈示部材の第１面に平行な第１の軸方向に移動可能な第３触知ピンと、第１面に平行であって前記第１の軸方向に垂直な第２の軸方向及び前記第１面に垂直方向に移動可能な第４触知ピンと、を備えるようにするとよい。つまり、第３触知ピンと第４触知ピンとにより、ヒトの皮膚に対して全体として直交３軸方向へ移動することができる。従って、より複雑にヒトの皮膚と仮想物体とが相対移動する場合における物体の表面性状感、及び、ヒトの皮膚と仮想物体との回転角度が大きくなる場合の物体のトルク感に相当する触覚を呈示できる。
この場合、第３触知ピン及び第４触知ピンは、それぞれ複数からなり、複数の第３触知ピン及び複数の第４触知ピンは、それぞれ市松模様状に配列されるようにするとよい。これにより、触知ピンのせん断方向のうちの直交２軸方向への移動をバランス良く行うことができる。
また、上述において、ヒトの皮膚に対して全体として触知ピンを直交３軸方向へ移動する構成としては、移動方向が異なる複数種類の触知ピンを組み合わせることとした。この他に、触知ピンは、第１面に平行な直交２軸方向及び第１面に垂直方向に移動可能な第５触知ピンを備えるようにしてもよい。つまり、第５触知ピン自身が、直交３軸方向へ移動することができるようにしている。これにより、より正確な物体の表面性状感及びトルク感に相当する触覚を呈示することができる。
（１．２）触覚ディスプレイ装置のアクチュエータ構成
また、上述した触覚ディスプレイ装置は、さらに、基台に対して少なくとも直交２軸方向に移動可能な作用部材を有する複数の多自由度アクチュエータを備え、触知ピンは、それぞれの作用部材に連結され、作用部材の基台に対する動作に伴い触覚呈示部材に対して移動するようにしてもよい。
この場合の多自由度アクチュエータは、アクチュエータ部材を複数備える。そして、それぞれのアクチュエータ部材は、たわみ変形可能な基部と、基部の少なくとも一方面に配置され且つ電圧が印加されることにより基部の一端側に対して他端側を揺動自在に駆動する圧電素子とを備える。
ここで、アクチュエータ部材の動作は、次のようになる。圧電素子に電圧を印加することで、圧電素子の長手方向が収縮する。また、圧電素子の長手方向とは、基部の延在方向、すなわち基部の一端側から他端側への方向である。そして、圧電素子の長手方向が収縮することに伴って、基部のうち圧電素子が配置されている面が収縮する。従って、基部は、圧電素子が配置されている面の方にたわむ。そして、圧電素子の収縮量は、印加電圧に応じて異なる。つまり、圧電素子への印加電圧に応じて、圧電素子の収縮量が変化し、その結果、基部のたわみ量が異なる。従って、圧電素子への印加電圧に応じて、基部の一端側から他端側を見た場合には、揺動していることになる。
なお、圧電素子を基部の両面に配置するようにしてもよい。この場合には、一方の圧電素子に電圧を印加する場合に、当該一方の圧電素子側に基部が揺動し、他方の圧電素子に電圧を印加する場合に、当該他方の圧電素子側に基部が揺動する。つまり、圧電素子を基部の両面に配置した場合には、圧電素子を基部の片面に配置した場合に比べて、基部の一端側に対する他端側のたわみ量が２倍に増大する。
このように、圧電素子への電圧印加により、一つのアクチュエータ部材は、基部の一端側に対して他端側が、揺動軸回りに揺動する。そして、多自由度アクチュエータは、このアクチュエータ部材を複数備えるので、複数の自由度、特に直交２軸方向に移動可能とすることができる。なお、アクチュエータ部材の揺動軸とは、アクチュエータ部材の基部の他端側が一端側に対して揺動する回転軸を意味する。
そして、このアクチュエータ部材は、全体として、非常に薄いプレート状とするとよい。具体的には、アクチュエータ部材を構成する基部及び圧電素子が、何れも肉厚の薄いシート状からなるようにする。従って、近年の半導体製造に用いられているナノ構造形成技術を適用すれば、このような薄型のアクチュエータ部材により多自由度アクチュエータを構成することで、多自由度アクチュエータの小型化を図ることができ、且つ、配列の自由度が増す。
さらに、アクチュエータ部材は、微少な動作を制御することができる。つまり、触知ピンの微少な動作を制御することができる。つまり、当該多自由度アクチュエータは、複数の触知ピンを駆動するための多自由度アクチュエータに適用することができる。
ここで、多自由度アクチュエータの詳細な構成としては、いわゆるシリアル型とパラレル型の２種類がある。
（１．３）シリアル型の多自由度アクチュエータ
まず、シリアル型の多自由度アクチュエータについて説明する。シリアル型の多自由度アクチュエータは、次のようになる。一のアクチュエータ部材の基部の一端側を他のアクチュエータ部材の基部の他端側に、当該一のアクチュエータ部材の揺動軸が当該他のアクチュエータ部材の揺動軸と異なるように固定する。つまり、複数のアクチュエータ部材が、連続的に連結される。さらに、それぞれのアクチュエータ部材の揺動軸が異なるようにしている。
具体的に、２自由度（ここでは直交２軸方向の自由度）の場合のシリアル型の多自由度アクチュエータは、次のようになる。すなわち、第１のアクチュエータ部材の基部の一端側を基台に固定し、第２のアクチュエータ部材の基部の一端側を第１のアクチュエータ部材の基部の他端側に、当該第２のアクチュエータ部材の揺動軸が第１のアクチュエータ部材の揺動軸と異なるように固定し、作用部材は、第２のアクチュエータ部材の基部の他端側に固定されるようにして、多自由度アクチュエータは２自由度を有する。このように構成することで、確実に２自由度を有する多自由度アクチュエータとすることができる。
特に、直交２軸方向の２自由度をより容易に有することができる構成としては、次のようにするとよい。すなわち、第２のアクチュエータ部材の基部の一端側を第１のアクチュエータ部材の基部の他端側に、第２のアクチュエータ部材の揺動軸が第１のアクチュエータ部材の揺動軸に対して直交するように固定するとよい。特に、基部の一端側に対する他端側の揺動量が微少の場合には、上述のように構成することで、第１のアクチュエータ部材が１軸方向の自由度を有し、第２のアクチュエータ部材が他の１軸方向の自由度を有するようにできる。これにより、基台に対する作用部材の位置制御が非常に容易となる。つまり、触知ピンの指表面に対する位置を容易に制御することができる。
また、３自由度（ここでは直交３軸方向の自由度）の場合のシリアル型の多自由度アクチュエータは、次のようになる。すなわち、第１のアクチュエータ部材の基部の一端側を基台に固定し、第２のアクチュエータ部材の基部の一端側を第１のアクチュエータ部材の基部の他端側に、当該第２のアクチュエータ部材の揺動軸が第１のアクチュエータ部材の揺動軸と異なるように固定し、第３のアクチュエータ部材の基部の一端側を第２のアクチュエータ部材の基部の他端側に、当該第３のアクチュエータ部材の揺動軸が第１及び第２のアクチュエータ部材の揺動軸と異なるように固定し、作用部材は、第３のアクチュエータ部材の基部の他端側に固定されるようにして、多自由度アクチュエータは３自由度を有する。このように構成することで、確実に３自由度を有する多自由度アクチュエータとすることができる。
特に、直交３軸方向の３自由度をより容易に有することができる構成としては、次のようにするとよい。すなわち、第２のアクチュエータ部材の基部の一端側を第１のアクチュエータ部材の基部の他端側に、当該第２のアクチュエータ部材の揺動軸が第１のアクチュエータ部材の揺動軸に対して直交するように固定し、第３のアクチュエータ部材の基部の一端側を第２の前記アクチュエータ部材の基部の他端側に、当該第３のアクチュエータ部材の揺動軸が第１及び第２のアクチュエータ部材の揺動軸に対して直交するように固定するとよい。特に、基部の一端側に対する他端側の揺動量が微少の場合には、上述のように構成することで、第１のアクチュエータ部材が１軸方向の自由度を有し、第２のアクチュエータ部材が他の１軸方向の自由度を有し、第３のアクチュエータ部材がさらに他の１軸方向の自由度を有するようにできる。これにより、基台に対する作用部材の位置制御が非常に容易となる。つまり、触知ピンの指表面に対するせん断方向の位置及び垂直方向の位置を容易に制御することができる。
（１．４）パラレル型の多自由度アクチュエータ
次に、パラレル型の多自由度アクチュエータについて説明する。パラレル型の多自由度アクチュエータは、次のようになる。それぞれのアクチュエータ部材の基部の一端側を基台に固定し、多自由度アクチュエータは、一端側をそれぞれの基部の他端側に回転可能に連結し、他端側を回転可能に相互に連結し合う複数の連結部材をさらに備え、作用部材は、一の連結部材の他端側に固定され、且つ、他の連結部材の他端側に回転可能に連結される。つまり、アクチュエータ部材は何れも基台に固定され、それぞれのアクチュエータ部材は連結部材を介して連結される。
具体的に、２自由度（ここでは直交２軸方向の自由度）の場合のパラレル型の多自由度アクチュエータは次のようにするとよい。すなわち、アクチュエータ部材及び連結部材は、それぞれ２個であり、それぞれのアクチュエータ部材の揺動軸は、平行であり、それぞれの連結部材の一端側は、アクチュエータ部材の揺動軸に平行な軸回りに回転可能に連結され、それぞれの連結部材の他端側は、アクチュエータ部材の揺動軸に平行な軸回りに回転可能に相互に連結し合うようにする。
つまり、２個のアクチュエータ部材の揺動軸、アクチュエータ部材と連結部材との回転軸、２個の連結部材の回転軸が、全て平行となるようにされている。従って、作用部材は、これらの揺動軸又は回転軸に垂直な平面に平行な方向に移動する。すなわち、作用部材は、基台に対して、当該平面上の直交２軸方向に移動することができる。さらに、基台に対する作用部材の位置制御が容易できる。つまり、触知ピンの指表面に対する位置を容易に制御することができる。
また、３自由度（ここでは直交３軸方向の自由度）の場合のパラレル型の多自由度アクチュエータは、次のようにするとよい。すなわち、アクチュエータ部材及び連結部材は、それぞれ３個であり、それぞれの連結部材の一端側は、それぞれの基部の他端側にボールジョイント又はユニバーサルジョイントを介して連結され、それぞれの連結部材の他端側は、ボールジョイント又はユニバーサルジョイントを介して相互に連結し合うようにする。これにより、作用部材は、基台に対して、直交３軸方向に移動することができる。さらに、基台に対する作用部材の位置制御は容易である。つまり、触知ピンの指表面に対するせん断方向の位置及び垂直方向の位置を容易に制御することができる。
ここで、上述したようなパラレル型の多自由度アクチュエータにおいて、以下のようにすることで、基台に対する作用部材のそれぞれの軸方向の変位量を大きく確保することができる。すなわち、アクチュエータ部材の揺動軸回りにおいて、基台面上のうち基部の一端側と基台との固定位置から他の基部に近接する方向を零度と規定し、基部が基台面上に垂直となる状態を９０度と規定した場合に、アクチュエータ部材の揺動軸回りにおける基部と基台面とのなす角度は、３０〜６０度の範囲とするとよい。このように、基部と基台面とのなす角度が３０〜６０度の範囲とすることで、基台に対する作用部材のそれぞれの軸方向の変位を大きくすることができる。
なお、基台に対する作用部材のそれぞれの軸方向の変位量が最大となる当該なす角度は、圧電素子に電圧を印加していない状態における連結部材の長さに対するそれぞれの連結部材の一端側の離間距離の割合に応じて異なる。例えば、当該割合が１．４付近であれば、当該なす角度が４０〜５０度の範囲となる場合が、基台に対する作用部材のそれぞれの軸方向の変位量が最大となる。また、当該割合が１．１付近であれば、当該なす角度が３０〜４０度の範囲となる場合が、基台に対する作用部材のそれぞれの軸方向の変位量が最大となる。また、当該割合が１．７付近であれば、当該なす角度が５０〜６０度の範囲となる場合が、基台に対する作用部材のそれぞれの軸方向の変位量が最大となる。
また、上述したパラレル型の多自由度アクチュエータにおいて、圧電素子に電圧を印加していない状態（以下、「初期状態」という）において、一の連結部材と他の連結部材とは、屈曲した状態となるようにするとよい。つまり、初期状態において、それぞれの連結部材が直線状に位置していないことになる。仮に、初期状態において複数の連結部材が直線状に位置している場合に、圧電素子に電圧を印加すると、作用部材が基台に近接する方向に移動するか、基台から遠ざかる方向に移動するか不明となる。つまり、初期状態において複数の連結部材が直線状に位置していると、作用部材の位置制御が正確にできないおそれがある。そこで、初期状態において、連結部材が直線状に位置しないようにすることで、圧電素子に電圧を印加した際に、作用部材が移動する方向が決定される。その結果、作用部材の位置制御が正確にできる。
また、圧電素子に電圧を印加していない状態、すなわち初期状態において、連結部材の長さに対するそれぞれの連結部材の一端側の離間距離の割合は、１．０〜２．０の範囲とするとよい。例えば、２個の連結部材を取り上げた場合には、これらの連結部材の一端側と連結部材の他端側とにより、三角形が形成される。そして、これらの連結部材の一端側の離間距離を底辺とした場合に、底辺に対する他の辺の長さの割合が、１．０〜２．０の範囲となる。好ましくは、当該割合は１．３〜１．５であり、最適には、当該割合が１．４である。
圧電素子に最大の電圧を印加した場合において、当該割合が１．４に近づくほど、基台に対する作用部材のそれぞれの軸方向の変位量が近接することになる。例えば、２自由度の多自由度アクチュエータにおいて、当該割合が１．４に近づくほど、圧電素子に最大の電圧を印加した場合、すなわちアクチュエータ部材のたわみ量が最大の場合における所定の１軸方向への変位量と他の所定の１軸方向への変位量の差が小さくなる。つまり、直交２軸方向のそれぞれの方向の剛性差が小さいということになる。
このように、当該割合を上記範囲にすることで、直交移動軸方向のそれぞれの方向の剛性差を小さくすることができる。つまり、例えば、触知ピンを触覚呈示部材の第１面に平行な直交２軸方向に移動させる場合に、移動方向に応じて剛性が異ならないようにすることができる。つまり、触知ピンが指表面に接触している場合であっても、適切に触知ピンを移動させることができる。換言すると、物体の表面性状感及びトルク感に相当する触覚を確実に呈示することができる。
また、シリアル型の多自由度アクチュエータでは、直交移動軸方向のそれぞれの方向の剛性差を小さくすることが困難である。しかし、パラレル型の多自由度アクチュエータを採用し、且つ、当該割合を上記範囲にすることで、直交移動軸方向のそれぞれの方向の剛性差を小さくすることができる。
（１．５）多自由度アクチュエータの制御部
次に、多自由度アクチュエータの制御部について説明する。ここでは、ニューラルネットワークを用いる方法を説明する。すなわち、多自由度アクチュエータを制御する制御部は、作用部材の目標移動量及び圧電素子に印加している現在電圧値に基づいて、ニューラルネットワークを用いて電圧変化量を算出する電圧変化量算出部と、電圧変化量を積分して圧電素子に印加すべき電圧値を算出し、圧電素子に印加する電圧印加部と、を備える。
このように、ニューラルネットワークを用いることで、高い応答性を確保しつつ高精度に作用部材を駆動することができる。特に、電圧変化量を積分することを、ニューラルネットワークによる演算から除外することで、演算の高速性とニューラルネットワークの小規模化を図ることができる。つまり、高度な処理能力を有する演算器を必要とすることなく、処理を行うことができる。
（２）第２発明
上述した第１発明は、触覚ディスプレイ装置とした場合について説明した。ここで、触覚ディスプレイ装置を構成する多自由度アクチュエータは、それ自身においても特徴的である。そこで、第２発明として、多自由度アクチュエータを取り上げた場合について説明する。
第２発明である多自由度アクチュエータは、基台に対して少なくとも２自由度を有する作用部材を備える多自由度アクチュエータであって、アクチュエータ部材を複数備えることを特徴とする。このアクチュエータ部材は、たわみ変形可能な基部と、基部の少なくとも一方面に配置され且つ電圧が印加されることにより基部の一端側に対して他端側を揺動自在に駆動する圧電素子とを備える。
この多自由度アクチュエータは、上述した第１発明の触覚ディスプレイ装置を構成する多自由度アクチュエータと同一である。従って、作用部材は、基台に対して、少なくとも直交２軸方向に移動できる。そして、アクチュエータ部材は、全体として、非常に薄いプレート状とするとよい。このような薄型のアクチュエータ部材により多自由度アクチュエータを構成することで、多自由度アクチュエータの小型化を図ることができ、且つ、配列の自由度が増す。さらに、アクチュエータ部材は、基台に対する作用部材の微少な動作を制御できる。
また、第２発明の多自由度アクチュエータの詳細な構成としては、いわゆるシリアル型とパラレル型の２種類がある。
シリアル型の多自由度アクチュエータは、一のアクチュエータ部材の基部の一端側を他のアクチュエータ部材の基部の他端側に、当該一のアクチュエータ部材の揺動軸が当該他のアクチュエータ部材の揺動軸と異なるように固定する。つまり、複数のアクチュエータプレートが、連続的に連結される。さらに、それぞれのアクチュエータ部材の揺動軸が異なるようにしている。
この第２発明のシリアル型の多自由度アクチュエータには、上述した第１発明の触覚ディスプレイ装置を構成するシリアル型の多自由度アクチュエータにて説明した事項を適用することができる。この場合、上述した同一の効果を奏する。
また、パラレル型の多自由度アクチュエータは、それぞれのアクチュエータ部材の基部の一端側を基台に固定し、一端側をそれぞれの基部の他端側に回転可能に連結し、他端側を回転可能に相互に連結し合う複数の連結部材をさらに備え、作用部材は、一の連結部材の他端側に固定され、且つ、他の連結部材の他端側に回転可能に連結されるようにする。つまり、アクチュエータ部材は何れも基台に固定され、それぞれのアクチュエータ部材は連結部材を介して連結される。
この第２発明のパラレル型の多自由度アクチュエータには、上述した第１発明の触覚ディスプレイ装置を構成するパラレル型の多自由度アクチュエータにて説明した事項を適用することができる。この場合、上述した同一の効果を奏する。
（３）第３発明
また、多自由度アクチュエータを用いて、ハンドリング装置を構成することもできる。ハンドリング装置とは、物体を把持し、搬送することができる装置である。すなわち、第３発明であるハンドリング装置は、基台に対して少なくとも直交２軸方向に移動可能な第１作用部材を有する第１の多自由度アクチュエータと、基台に対して少なくとも直交２軸方向に移動可能な第２作用部材を有する第２の多自由度アクチュエータと、第１作用部材に連結される第１把持部材と、第２作用部材に連結される第２把持部材とを備える。そして、第１の多自由度アクチュエータ及び第２の多自由度アクチュエータの少なくとも何れか一方は、アクチュエータ部材を複数備えることを特徴とする。アクチュエータ部材は、たわみ変形可能な基部と、基部の少なくとも一方面に配置され且つ電圧が印加されることにより基部の一端側に対して他端側を揺動自在に駆動する圧電素子とを備える。
このハンドリング装置は、上述した第２発明の多自由度アクチュエータを２個備える。そして、第１、第２の多自由度アクチュエータが２自由度を有するので、第１把持部材と第２把持部材とにより、確実に物体を把持することができ、且つ、搬送することができる。そして、アクチュエータ部材は、全体として、非常に薄いプレート状とするとよい。従って、このような薄型のアクチュエータ部材により多自由度アクチュエータを構成することで、多自由度アクチュエータの小型化を図ることができる。さらに、アクチュエータ部材は、基台に対する作用部材の微少な動作を制御できる。つまり、第３発明であるハンドリング装置により、非常に微少な物体を把持し、搬送することができる。
この第３発明のハンドリング装置を構成する多自由度アクチュエータの詳細な構成としては、いわゆるシリアル型とパラレル型の２種類がある。
ハンドリング装置を構成するシリアル型の多自由度アクチュエータは、一のアクチュエータ部材の基部の一端側を他のアクチュエータ部材の基部の他端側に、当該一のアクチュエータ部材の揺動軸が当該他のアクチュエータ部材の揺動軸と異なるように固定する。つまり、複数のアクチュエータ部材が、連続的に連結される。さらに、それぞれのアクチュエータ部材の揺動軸が異なるようにしている。
この第３発明のハンドリング装置を構成するシリアル型の多自由度アクチュエータには、上述した第１発明の触覚ディスプレイ装置を構成するシリアル型の多自由度アクチュエータにて説明した事項を適用することができる。この場合、上述した同一の効果を奏する。
また、ハンドリング装置を構成するパラレル型の多自由度アクチュエータは、それぞれのアクチュエータ部材の基部の一端側を基台に固定し、多自由度アクチュエータは、一端側をそれぞれの基部の他端側に回転可能に連結し、他端側を回転可能に相互に連結し合う複数の連結部材をさらに備え、第１作用部材及び第２作用部材の少なくとも何れか一方は、一の連結部材の他端側に固定され、且つ、他の連結部材の他端側に回転可能に連結される。つまり、アクチュエータ部材は何れも基台に固定され、それぞれのアクチュエータ部材は連結部材を介して連結される。
この第３発明のハンドリング装置を構成するパラレル型の多自由度アクチュエータには、上述した第１発明の触覚ディスプレイ装置を構成するパラレル型の多自由度アクチュエータにて説明した事項を適用することができる。この場合、上述した同一の効果を奏する。
第１発明の触覚ディスプレイ装置によれば、物体の表面性状感及び物体のトルク感に相当する触覚を呈示することができる。さらに、近年の半導体製造に用いられているナノ構造形成技術を適用すれば、触覚ディスプレイ装置を構成する多自由度アクチュエータ部材は小型化を図ることができ、配列の自由度が増す。さらに、アクチュエータ部材は、微少な動作を制御することができる。つまり、触知ピンの微少な動作を制御することができる。つまり、当該多自由度アクチュエータは、複数の触知ピンを駆動するための多自由度アクチュエータに適用することができる。
第２発明の多自由度アクチュエータによれば、第１発明の触覚ディスプレイ装置を構成する多自由度アクチュエータによる効果と同一の効果を奏する。また、第３のハンドリング装置によれば、非常に微小な物体を把持し、搬送することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、触覚ディスプレイ装置１を用いたゲーム機について説明するための図である。
図２は、図１に示す棒８と指とが棒８の軸方向に相対移動した場合などに生じる触覚について説明する図である。
図３は、ヒトの触覚システムにおいて、横軸を触知ピン３３の振動周波数とし、縦軸を触知ピン３３の振動振幅とした場合に、ヒトが触知ピン３３による刺激を認識できる限界値を示す。
図４は、図１に示す棒８が指に対して、指表面に垂直な軸回りに相対回転する場合などに生じる触覚について説明する図である。
図５は、触覚ディスプレイ装置１を用いた腹腔内手術装置について説明するための図である。
図６は、触覚ディスプレイ装置１を用いた惑星探査機について説明するための図である。
図７は、触知ピン３３の配列を示す図である。
図８は、触覚ディスプレイ装置１の概要について説明するための図である。
図９は、触覚ディスプレイ装置１の斜視図である。
図１０は、２自由度アクチュエータ３２の斜視図である。
図１１は、２自由度アクチュエータ３２の模式図である。
図１２は、第１、第２アクチュエータプレート４２、４３の上面図である。
図１３は、２自由度アクチュエータ３２の動作について説明する図である。
図１４は、図１１の第１連結部材１４及び第２連結部材４５を含む部分の拡大図である。
図１５は、第１アクチュエータプレート４２の圧電素子４２ｂ、４２ｃに印加する電圧を無次元化した値と、第１アクチュエータプレート４２のたわみ量を無次元化した値との関係を示す。
図１６は、第２アクチュエータプレート４３の圧電素子４３ｂ、４３ｃに印加する電圧を無次元化した値と、第２アクチュエータプレート４３のたわみ量を無次元化した値との関係を示す。
図１７は、制御部１００のブロック図を示す。
図１８は、なす角度θを６０度とした場合において、横軸を割合ｂ／ａとし、縦軸を変位量Ｕｘ、Ｕｙのそれぞれとした図である。
図１９は、割合ｂ／ａを１．１、１．４、１．７とした場合において、横軸をθとし、縦軸を変位量Ｕｘ、Ｕｙのそれぞれとした図である。
図２０は、３自由度アクチュエータ５０を示す模式図である。
図２１は、シリアル型２自由度アクチュエータ６０を示す図である。
図２２は、シリアル型２自由度アクチュエータ７０を示す図である。
図２３は、シリアル型３自由度アクチュエータ８０を示す図である。
図２４は、ハンドリング装置９０を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。
（１）触覚ディスプレイ装置１の適用例
まず、触覚ディスプレイ装置１の適用例について説明する。
（１．１）触覚ディスプレイ装置１を用いたゲーム機の説明
まず、第１実施形態の触覚ディスプレイ装置１を用いたゲーム機について図１を参照して説明する。図１は、触覚ディスプレイ装置１を用いたゲーム機について説明するための図である。ここでは、当該ゲーム機は、ヒトの指により仮想の棒を持ち、ヒトの手や指を動かすことにより、画面上の棒を穴に挿入する例を挙げる。
このゲーム機は、一対の触覚ディスプレイ装置１、１と、触覚ディスプレイコントローラ２と、データグローブ３と、指関節角度検出装置４と、手位置姿勢検出器５と、コンピュータ６とから構成される。
一対の触覚ディスプレイ装置１、１は、実際のヒトの手７の親指及び人差し指をそれぞれ挿入配置され、親指及び人差し指に当接可能であって、アレイ状に配列された複数の触知ピン３３（後述する）を備える。これらの触知ピン３３は、触覚呈示プレート３１（図２に示す）に対してそれぞれ直交３軸方向に移動可能な構成とする。これらの触知ピン３３は、例えば、ピン直径を０．３ｍｍ〜０．８ｍｍとし、縦８列、横８列の配列で合計６４個用いる。また、これらの触知ピン３３のピン間隔は、２ｍｍ以内としている。これは、ヒトの手７の指の二点弁別閾が２ｍｍ以内であるためである。さらに、ヒトの指先のうち接触すべき面積は、例えば、少なくとも１００ｍｍ２程度とするとよい。触知ピン３３を縦８列、横８列とした場合には、ピン間隔を例えば１．５ｍｍ程度とすればよい。
そして、これらの触知ピン３３は、コンピュータ６の画面上に映された仮想の棒８と仮想の手９の指との相対位置や相対移動に応じて、実際の手７の指表面に対してせん断方向及び垂直方向に移動する。つまり、触知ピン３３が実際の手７の指表面に対して移動することで、仮想の棒８の表面性状感及びトルク感に相当する触覚を呈示する。
触覚ディスプレイコントローラ２は、コンピュータ６から出力される指令値に基づいて、一対の触覚ディスプレイ装置１の触知ピン３３を制御する。データグローブ３は、手袋状をなしており、嵌められた実際の手７の指の曲げ角度を検出するためのセンサが埋め込まれている。そして、指関節角度検出装置４は、データグローブ３から出力される信号をデジタルデータに変換する。手位置姿勢検出器５は、ＣＣＤカメラ又は磁気センサを用いて、データグローブ３に設置したマーカの位置に基づいて、実際の手７の位置・姿勢を検出する。そして、検出した実際の手７の位置・姿勢の情報をデジタルデータに変換する。
コンピュータ６は、指関節角度検出装置４により検出された実際の手７の指の関節角度、並びに、手位置姿勢検出器５により検出された実際の手７の位置・姿勢を入力する。そして、画面上に映された仮想の手９の位置・姿勢及びそれぞれの手９の指の間接角度を移動させる。さらに、コンピュータ６は、例えば、画面上の棒８が穴１０に挿入されることなどによって、仮想の手９と棒８とが相対移動する場合には、その情報に応じた信号を触覚ディスプレイコントローラ２へ出力する。そして、触覚ディスプレイ装置１の触知ピン３３が駆動することにより、実際のヒト７の手が仮想の棒８を把持しているような触覚を得ることができる。
ここで、図２を用いて、物体の表面性状感について説明する。図２は、図１に示す棒８と指とが棒８の軸方向に相対移動した場合などに生じる触覚について説明する図である。ここで、図２（ａ）は、指が実際に棒８に触れている場合を示し、図２（ｂ）は、指が触覚ディスプレイ装置１の触知ピン３３に触れている場合を示す。ここで、図２（ｂ）は、説明及び図示の容易化のため、触知ピン３３の個数を少なくしたものを図示している。図２（ｂ）においては、触知ピン３３を縦４列、横４列に配列しているが、実際には上述したように例えば縦８列、横８列などとする。
そして、多くの物体の表面は、微細な凹凸状をなしている。この場合、ヒトの手の指がその物体表面上を移動すると、手の指にはザラザラ感に相当する触覚を得る。また、物体の表面が非常に滑らかな場合には、ヒトの手の指がその物体表面上を移動すると、手の指にはツルツル感に相当する触覚を得る。このザラザラ感及びツルツル感を総称して物体の表面性状感という。
そして、棒８の表面性状が図２（ａ）に示すような凹凸状であると仮定する。このとき、手の指と棒８とが棒８の軸方向に相対移動した場合には、棒８の凸部により手の指表面には、指表面に対して垂直方向の力及び指表面に対してせん断方向の力が作用することが分かった。
そこで、図２（ｂ）に示すように、棒８の凸部により指表面に作用する力と同等の力を、触覚ディスプレイ装置１の触知ピン３３により表現するようにしている。すなわち、触覚ディスプレイ装置１の触知ピン３３は、手の指表面に対して垂直方向及びせん断方向に移動させる。これにより、より正確な物体の表面性状感に相当する触覚を呈示できる。
ここで、手の指表面に対して触知ピン３３を垂直方向及びせん断方向に移動させることの有効性について、図３を参照して、より詳細に説明する。図３は、ヒトの触覚システムにおいて、横軸を触知ピン３３の振動周波数とし、縦軸を触知ピン３３の振動振幅とした場合に、ヒトが触知ピン３３による刺激を認識できる限界値を示す。
ここで、ヒトの触覚システムの感覚受容器には、次の４つあることが知られている。マイスナー小体、パチニ小体、メルケル細胞、及び、ルフィニ終末である。マイスナー小体を感覚受容器とする触覚システム（ＦＡＩ）は、主として垂直方向の刺激の速度に反応する。パチニ小体を感覚受容器とする触覚システム（ＦＡＩＩ）は、主として垂直方向の刺激の加速度に反応する。メルケル細胞を感覚受容器とする触覚システム（ＳＡＩ）は、主として垂直方向の刺激の速度と一定荷重に反応する。ルフィニ終末を感覚受容器とする触覚システム（ＳＡＩＩ）は、せん断方向の刺激に応答すると考えられている。
そして、図３には、４つの触覚システムに対して、垂直振動刺激（Ｎ）を与えた場合と、せん断振動刺激（Ｔ）を与えた場合とについて示している。図３に示すように、メルケル細胞を感覚受容器とする触覚システムのせん断振動刺激の場合（ＳＡＩ−Ｔ）の感度特性は、垂直振動刺激の場合（ＳＡＩ−Ｎ）の感度特性に比べて大きく低下する。また、マイスナー小体を感覚受容器とする触覚システムのせん断振動刺激の場合（ＦＡＩ−Ｔ）の感度特性も、垂直振動刺激の場合（ＦＡＩ−Ｎ）の感度特性に比べて大きく低下する。また、パチニ小体を感覚受容器とする触覚システムのせん断振動刺激の場合（ＦＡＩＩ−Ｔ）の感度特性は、垂直振動刺激の場合（ＦＡＩＩ−Ｎ）の感度に比べて僅かに低下する。
これに対して、ルフィニ終末を感覚受容器とする触覚システムのせん断振動刺激の場合（ＳＡＩＩ−Ｔ）の感度特性は、垂直振動刺激の場合（ＳＡＩＩ−Ｎ）の感度特性に比べて顕著に向上する。
ここで、指を物体表面上で滑らせた場合に、指表面と物体との間で発生するスティック・スリップ現象について説明する。この現象は、指紋のうねりの固有振動数付近の周波数の振動が影響を及ぼしていると考えられる。そして、指紋のうねりの固有振動数は、約２５０Ｈｚである。つまり、スティック・スリップ現象では、周波数ｆ２（＝約２５０Ｈｚ）付近の垂直方向の振動とせん断方向の振動が生じると考えられる。ただし、指を滑らせる物体表面の表面性状などによって、垂直振動刺激とせん断振動刺激の割合が異なる。
そこで、スティック・スリップ現象に相当する触覚を表現するには、触覚ディスプレイ装置１の触知ピン３３を、垂直方向及びせん断方向に周波数ｆ２付近で振動させる必要がある。ここで、周波数ｆ２における垂直振動刺激に対しては、特にパチニ小体を感覚受容器とする触覚システムが、最も感度が高い（図３のＢ点）。例えば、被験者によっては、周波数が２５０Ｈｚ付近において、刺激を認識できる限界の振動振幅が０．０２μｍ程度に達することもあると言われている。また、周波数ｆ２におけるせん断振動刺激に対しては、主として、ルフィニ終末を感覚受容器とする触覚システムが、影響を受ける（図３のＡ点）。例えば、被験者によっては、周波数２５０Ｈｚ付近において、刺激を認識できる限界の振動振幅が０．１μｍ程度に達することもあると言われている。
そこで、触知ピン３３にせん断方向に図３のＡ点の振動をさせ、且つ、垂直方向に図３のＢ点の振動をさせることで、スティック・スリップ現象を表現できる。さらに、指を滑らせる物体表面の表面性状などによる垂直振動刺激とせん断振動刺激との割合に応じて、垂直方向の振動振幅とせん断方向の振動振幅との割合を適宜変更する。
また、指を凹凸面上で滑らせるときには、上述したスティック・スリップ現象とは別に、指表面と物体表面との相対速度に応じた周波数帯の振動が、指に伝えられる。具体的には、当該周波数帯の垂直方向の振動及びせん断方向の振動が指に伝えられると考えられる。そして、例えば、物体表面に対する指の移動速度を次第に増加する場合には、周波数が低い位置から周波数が高い位置へ変化する。さらに、この場合も、上述したスティック・スリップ現象と同様に、指を滑らせる物体表面の表面性状などによって、垂直振動刺激とせん断振動刺激の割合が異なる。
そこで、当該刺激に相当する触覚を表現するには、触覚ディスプレイ装置１の触知ピン３３を、垂直方向及びせん断方向に物体表面に対する指の移動速度に応じた周波数帯で振動させる必要がある。例えば、当該移動速度に応じた周波数がｆ１から次第に増加する場合には、まず、触知ピン３３にせん断方向に図３のＣ点の振動をさせ、且つ、垂直方向に図３のＤ点の振動をさせる。そして、周波数が大きくなると、せん断方向の振動は、ＳＡＩＩ−Ｔ上に沿った振幅以上とする。また、垂直方向の振動は、ＦＡＩ−Ｎ、ＦＡＩＩ−Ｎ、及び、ＳＡＩ−Ｎのうち最も感度の高いものの感度特性に沿った振幅以上とする。さらに、指を滑らせる物体表面の表面性状などによる垂直振動刺激とせん断振動刺激との割合に応じて、垂直方向の振動振幅とせん断方向の振動振幅との割合を適宜変更する。
つまり、物体表面上で指を滑らせる場合には、スティック・スリップ現象に重畳させて、上述の指の移動速度に対応して変化する振動を発生させる必要があるため、例えば、Ａ点及びＣ点に相当するせん断方向の振動と、Ｂ点及びＤ点に相当する垂直方向の振動との両方を重ね合わせた振動を触知ピン３３にさせることで、より正確に表面性状感に相当する触覚を呈示できる。
次に、図４を用いて、物体のトルク感について説明する。図４は、図１に示す棒８が指に対して、指表面に垂直な軸回りに相対回転する場合などに生じる触覚について説明する図である。なお、図４（ａ）は、手７の上方から見た図を示し、図４（ｂ）は、手７の左側方から見た図を示す。
ここで、物体のトルク感とは、図４（ａ）（ｂ）に示すように、例えば、手７の指で棒８を把持している場合に、棒８に接触している指表面に垂直な軸回り（図４（ｂ）の上下軸回り）に、棒８が指表面に対して相対的に回転する場合の触覚である。図４においては、手７に対して回転中心Ｏを中心として図４（ａ）の時計回りに棒８が回転した場合を示す。
そして、手７に対して棒８が上記のように回転し始める瞬間及び回転している間においては、回転中心Ｏにおける手７に対する棒８の相対位置は変化せず、回転中心Ｏの周囲における手７に対する棒８の相対位置は図４（ａ）の時計回り方向に変化する。さらに、回転中心Ｏから遠ざかるほど、手７に対する棒８の相対位置の変化量は大きくなる。
そこで、図４（ａ）（ｂ）に示すように、手７の指表面に対する棒８の相対位置に相当する変化量と同等の変化を、触覚ディスプレイ装置１の触知ピン３３により表現するようにしている。すなわち、触覚ディスプレイ装置１の触知ピン３３は、手７に対して棒８が上記のように回転し始める瞬間及び回転している間において、回転中心Ｏに位置する触知ピン３３の位置は移動せず、回転中心Ｏの周囲に位置する触知ピン３３は図４（ａ）の時計回り方向に移動する。特に、回転中心Ｏから遠ざかる位置の触知ピン３３ほど、移動量が大きくする。これにより、より正確に物体のトルク感に相当する触覚を呈示できる。
（１．２）触覚ディスプレイ装置１を用いた腹腔内手術装置の説明
次に、第１実施形態の触覚ディスプレイ装置１を用いた腹腔内手術装置について図５を参照して説明する。図５は、触覚ディスプレイ装置１を用いた腹腔内手術装置について説明するための図である。ここで、腹腔内手術とは、近年、低侵襲手術として注目を集めている手術の一つである。すなわち、腹腔内手術は、腹腔内顕微鏡の画像を見ながら、患者の腹部の微小穴から挿入したマイクロハンドを操作して行う手術である。ここでは、患者がいる手術現場と、マイクロハンドを操作する医師のいる医療センタとが離れた、いわゆる遠隔手術の場合を例に挙げて説明する。
この遠隔による腹腔内手術装置は、２個の一対の触覚ディスプレイ装置１、１、１、１と、モニタ１２と、マイクロハンド１３と、腹腔内顕微鏡（図示しない）と、各種センサ（図示せず）を備える。
手術現場にいる患者の腹部に、マイクロハンド１３及び腹腔内顕微鏡が挿入されている。図５の左側には、腹腔内顕微鏡の画像を示す。このマイクロハンド１３は、医療センタにいる医師の手の操作に従って、遠隔的に駆動する。
一方、医療センタにあるモニタ１２には、手術現場にある腹腔内顕微鏡に接続されており、腹腔内顕微鏡画像と同一の画像が映し出されている。そして、医療センタにいる医師は、モニタ１２に映し出される画像を見ながら、マイクロハンド１３を遠隔操作する。
さらに、医師の両手の親指及び人差し指は、２個の一対の触覚ディスプレイ装置１、１、・・・にそれぞれ挿入されている。この一対の触覚ディスプレイ装置１、１は、上述したゲーム機における触覚ディスプレイ装置１、１と同様である。そして、この触覚ディスプレイ装置１、１、・・・は、手術現場にあるマイクロハンド１３に接続されており、マイクロハンド１３が受ける触覚に相当する触覚が、触覚ディスプレイ装置１の触知ピン（図示せず）により医師の手の指に呈示される。
つまり、医師がマイクロハンド１３を遠隔操作した場合に、医師は、マイクロハンド１３が受ける触覚を触覚ディスプレイ装置１から受けることができる。従って、医師は、あたかも開腹手術を行っているかのような触覚を感じながら、手術を行うことができる。なお、医療センタと手術現場との電気通信の速度を高めることで、手術現場が医療センタから遠隔地に存在する場合にも適用することができる。
（１．３）触覚ディスプレイ装置１を用いたリモート装置の説明
次に、第１実施形態の触覚ディスプレイ装置１を用いたリモート装置について図６を参照して説明する。図６は、触覚ディスプレイ装置１を用いたリモート装置について説明するための図である。リモート装置は、ヒトが近づくことが困難な空間（ここでは、遠隔地）に、ヒトに代わって送り込まれたロボットに探査させる装置である。
このリモート装置は、一対の触覚ディスプレイ装置１、１と、モニタ２２と、多自由度アクチュエータ２３を備える探査車とを備える。そして、ヒトが、モニタ２２に映し出される画像を見ながら、手を操作することにより、遠隔地にある探査車の多自由度アクチュエータ２３を遠隔的に駆動する。
そして、手を挿入した触覚ディスプレイ装置１は、多自由度アクチュエータ２３に接続されており、多自由度アクチュエータ２３が受ける触覚に相当する触覚が、触覚ディスプレイ装置１の触知ピン（図示せず）によりヒトの手の指に呈示される。
つまり、ロボットが送り込まれた場所に実在しないヒトが、あたかも実際に遠隔地で見たり触ったりしているかのような触覚を感じることができる。従って、調査効率が、従来に比べて飛躍的に高まる。
（１．４）触覚ディスプレイ装置１のその他の用途
上記の他に、例えば、博物館に展示されている観賞用の展示物などを、触覚ディスプレイ装置１を用いて、あたかも観賞用の展示物を触っているような感覚を得ることができる。この場合、例えば、ヒトの手の五指に対応する触覚ディスプレイ装置１を備えるようにするとよい。さらには、手の指以外にも手の平などに対応する触覚ディスプレイ装置１を備えるようにしてもよい。
また、例えば、視覚障害者に対して、景色などを表示した二次元画像や絵画などを、触覚ディスプレイ装置１を用いて、呈示することもできる。この場合、色や形などに応じて触知ピン３３を移動させることで、二次元画像や絵画などを実際に鑑賞している感覚を得ることができる。
（１．５）触知ピン３３の種類
なお、上述においては、全ての触知ピン３３は、触覚呈示プレート３１に対して直交３軸方向に移動可能な構成であるとして説明した。この他に、第１の触知ピン３３ａは、触覚呈示プレート３１に平行な直交２軸方向（Ｘ、Ｙ方向）に移動可能であって、第２の触知ピン３３ｂは、触覚呈示プレート３１に垂直な方向（Ｚ方向）に移動可能としてもよい。また、第３の触知ピン３３ｃは、触覚呈示プレート３１に平行な軸方向（Ｘ方向）及び触覚呈示プレート３１に垂直な方向（Ｚ方向）に移動可能とする。そして、第４の触知ピン３３ｄは、触覚呈示プレート３１に平行で第３の触知ピン３３ｃの移動可能な方向に垂直な軸方向（Ｙ方向）及び触覚呈示プレート３１に垂直な方向（Ｚ方向）に移動可能としてもよい。
そして、このように、移動方向が異なる２種類の触知ピン３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄを備える場合には、図７に示すように、市松模様状に配列するとよい。すなわち、第１の触知ピン３３ａ（図７の白丸）と第２の触知ピン３３ｂ（図７の黒丸）とが交互に配列される。若しくは、第３の触知ピン３３ｃ（図７の白丸）と第４の触知ピン３３ｄ（図７の黒丸）が交互に配列される。
これにより、全体として、直交３軸方向に触知ピン３３が触覚呈示プレート３１に対して移動するような状態を、バランス良く形成することができる。
（２）第１実施形態の触覚ディスプレイ装置１
次に、第１実施形態の触覚ディスプレイ装置１について説明する。
（２．１）第１実施形態の触覚ディスプレイ装置１の概要説明
第１実施形態の触覚ディスプレイ装置１は、触知ピン３３を直交２軸方向に移動可能な構成としている。この第１実施形態の触覚ディスプレイ装置１の概要について図８を参照して説明する。図８は、触覚ディスプレイ装置１の概要について説明するための図である。図８に示すように、触覚ディスプレイ装置１は、複数の孔３１ａが形成された触覚呈示プレート（本発明における触覚呈示部材）３１と、それぞれの孔３１ａから突出する触知ピン３３とを備えている。そして、それぞれの触知ピン３３は、それぞれの孔３１ａ内をＸ方向及びＹ方向に移動可能とされている。
そして、ヒトの指を触覚呈示プレート３１の触覚呈示面に配置した場合に、それぞれの触知ピン３３がＸＹ方向へ移動する。つまり、触知ピン３３は、指表面に接触した状態で、指表面に対してせん断方向へ移動する。このように、触知ピン３３を指表面に対してせん断方向（ＸＹ方向）へ移動することにより、ザラザラ感・ツルツル感に相当する触覚を呈示することができる。
さらに、トルク感に相当する触覚を呈示することができる。トルク感とは、例えば、指で物体を把持している場合に、物体に接触している指表面に対して垂直な軸回りに、物体が指表面に対して相対的に回転する場合の触覚である。このトルク感を呈示するための触知ピン３３の動作について、例えば、物体が指表面に対して時計回りに回転している場合を例に挙げる。この場合、指元側（図８の下方側）に配置される触知ピン３３のＸ正方向（図８の右方向）の移動量と指先側（図８の上方側）に配置される触知ピン３３のＸ正方向の移動量とを異なるようにすればよい。これは、物体が回転する際に、回転中心は全く移動せず、回転中心から遠ざかるほど回転方向への移動量が大きくなるからである。つまり、触知ピン３３のＸＹ方向の移動量を異ならせることにより呈示することで、トルク感を呈示することができる。
（２．２）触覚ディスプレイ装置１の詳細構成
次に、触覚ディスプレイ装置１の詳細構成について、図９を参照して説明する。図９は、触覚ディスプレイ装置１の斜視図を示す。図９に示すように、触覚ディスプレイ装置１は、触覚呈示プレート３１と、１０個の２自由度アクチュエータ３２、３２、・・・と、１０個の触知ピン３３、３３、・・・とから構成される。
触覚呈示プレート３１は、１０個の孔３１ａ、３１ａ、・・・がアレイ状に形成されている。具体的には、図８の奥側から手前側に向かって左右方向の孔数が２、４、４、２列となるように形成されている。これらの孔３１ａは、円形状に形成されている。そして、この触覚呈示プレート３１の図８の上面側が、触覚呈示面である。すなわち、触覚呈示プレート３１の上面側にヒトの指を配置した場合に、当該指に対して種々の触覚を呈示する面となる。なお、孔３１ａ及び後述する触知ピン３３の数は、実際には縦８列、横８列などとすることが望ましいが、説明及び図示の容易化のため、上述したような配列数としている。
それぞれの２自由度アクチュエータ３２、３２、・・・（本発明における多自由度アクチュエータ）は、全体としての概略形状は、ハの字状からなる。そして、これらの２自由度アクチュエータ３２は、ハの字状がＸＹ平面上に延在するように、触覚ディスプレイ装置１の図８の下方側に配置されている。なお、全ての２自由度アクチュエータ３２が同一のＸＹ平面上に延在するように配置してもよいし、それぞれの２自由度アクチュエータ３２が異なるＸＹ平面上に延在するように配置してもよい。また、これらの２自由度アクチュエータ３２は、それぞれの基台４１（図１０に示す）に対してそれぞれの作用部材４６が直交２軸方向に移動可能とされている。ここで、直交２軸方向とは、触覚呈示プレート３１に平行な軸方向、すなわちＸ方向及びＹ方向である。
さらに、これらの２自由度アクチュエータ３２は、それぞれ２個、２個、３個、３個からなる４グループに分けられている。そして、それぞれのグループの２自由度アクチュエータ３２がほぼ同一方向を向くように配置されている。つまり、同一グループの２自由度アクチュエータ３２のハの字状が、ほぼ同一方向に向くようにされている。そして、それぞれのグループの２自由度アクチュエータ３２のハの字の狭くなる側が、触覚呈示プレート３１の中央付近の直下に向くように配置されている。例えば、それぞれのグループの２自由度アクチュエータ３２の向きが、ＸＹ平面において９０度回転した状態とする。このように、１０個の２自由度アクチュエータ３２は、非常にコンパクトに整列した状態で配列されている。なお、２自由度アクチュエータ３２の詳細構成については、後述する。
それぞれの触知ピン３３、３３、・・・は、棒状からなる。これらの触知ピン３３は、相互に接触しないように、クランク状に屈曲形成されている。そして、これらの触知ピン３３の一端側は、それぞれの２自由度アクチュエータ３２の作用部材４６に連結固定されている。つまり、触知ピン３３は、２自由度アクチュエータ３２の作用部材４６が基台４１に対して移動した場合に、この作用部材４６の動作と同様に動作する。また、それぞれの触知ピン３３の他端側は、触覚呈示プレート３１のそれぞれの孔３１ａから図８の上側へ突出するように配置されている。つまり、触知ピン３３の他端側は、Ｚ方向に伸びるように配置されている。ここで、触知ピン３３の外径は、触覚呈示プレート３１の孔３１ａの内径よりも小さく形成されている。従って、触知ピン３３の他端側は、触覚呈示プレート３１の孔３１ａ内をＸ方向及びＹ方向に移動可能である。つまり、触知ピン３３は、２自由度アクチュエータ３２の作用部材４６の基台４１に対する移動により、触覚呈示プレート３１の孔３１ａ内をＸ方向及びＹ方向へ移動する。なお、触知ピン３３は、それぞれ移動した場合であっても、相互に接触しないようにしていることはもちろんである。
（２．３）２自由度アクチュエータ３２の詳細構成
次に、２自由度アクチュエータ３２の詳細構成について図１０〜図１２を参照して説明する。図１０は、触覚ディスプレイ装置１を構成する２自由度アクチュエータ３２の斜視図を示す。図１１は、２自由度アクチュエータ３２の模式図を示す。図１２は、第１、第２アクチュエータプレート４２、４３の上面図を示す。
図１０〜図１２に示すように、２自由度アクチュエータ３２は、基台４１と、第１アクチュエータプレート４２と、第２アクチュエータプレート４３と、第１連結部材４４と、第２連結部材４５と、作用部材４６とから構成される。
基台４１は、Ｌ字型側面形状をなしている。そして、基台４１のうち第１、第２アクチュエータプレート４２、４３を固定する面４１ａ（以下、「固定面」という）は、ＸＹ平面に垂直な面とされている。また、この基台４１は、上述した触覚呈示プレート３１に固定的に配置されている。
第１アクチュエータプレート４２は、基プレート４２ａと、圧電素子４２ｂ、４２ｃとから構成される。基プレート４２ａは、細長板状の鋼板からなる。この基プレート４２ａがＸＹ平面上に延在するように、基プレート４２ａの一端側（図１２の右端側）が、基台４１の固定面４１ａ（本発明における基台面）に固定されている。さらに、基プレート４２ａは、ＸＹ平面上において、一端側に対して他端側がたわみ変形可能となるように、基台４１に固定されている。つまり、基プレート４２ａの他端側が、一端側に対してＺ軸回りに揺動可能となる。
ここで、基プレート４２ａと基台４１の固定面４１ａとのなす角度をθとする。なす角度θは、基プレート４２ａの一端側と基台４１との固定位置から基プレート４３ａ（後述する）の一端側と基台４１との固定位置に近接する方向に基プレート４２ａが位置している状態を零度と規定する。つまり、基台４１の固定面４１ａと基プレート４２ａとが平行な状態が、なす角度θが零度となる。また、基プレート４２ａが基台４１の固定面４１ａ上に垂直となる状態を９０度と規定する。
圧電素子（ＰＺＴ）４２ｂ、４２ｃは、基プレート４２ａの両面に接着されている。これらの圧電素子４２ｂ、４２ｃは、細長板状からなる。具体的には、圧電素子４２ｂ、４２ｃの長手方向長さは、基プレート４２ａの長手方向長さより僅かに短く、圧電素子４２ｂ、４２ｃの短手方向幅は、基プレート４２ａの短手方向幅とほぼ同等である。さらに詳細には、圧電素子４２ｂ、４２ｃの長手方向長さは、３０ｍｍ〜５０ｍｍであり、その短手方向幅は、１ｍｍ〜２ｍｍであり、その厚みは、０．５〜１．０ｍｍである。なお、動作電圧の最大値は、２００Ｖである。
そして、これらの圧電素子４２ｂ、４２ｃは、電圧が印加されると、長手方向長さが収縮するように動作する。つまり、図１２の上方の圧電素子４２ｂに電圧が印加されると、当該圧電素子４２ｂの図１２の左右方向長さが収縮する。そうすると、この圧電素子４２ｂの収縮動作に伴って、基プレート４２ａの図１２の上面側が下面側に対して収縮する。従って、この場合の基プレート４２ａの他端側（図１２の左側）が図１２の上側へ移動するように、基プレート４２ａがたわみ変形する。そして、圧電素子４２ｂへの印加電圧に応じて、基プレート４２ａの図１２の上側へのたわみ量は異なる。
また、図１２の下方の圧電素子４２ｃに電圧が印加されると、当該圧電素子４２ｃの図１２の左右方向長さが収縮する。そうすると、この圧電素子４２ｃの収縮動作に伴って、基プレート４２ａの図１２の下面側が上面側に対して収縮する。従って、この場合の基プレート４２ａの他端側（図１２の左側）が図１２の下側へ移動するように、基プレート４２ａがたわみ変形する。そして、圧電素子４２ｃへの印加電圧に応じて、基プレート４２ａの図１２の下側へのたわみ量は異なる。
つまり、圧電素子４２ｂ、４２ｃは、電圧が印加されることにより、基プレート４２ａ他端側を一端側に対してＺ軸回りに揺動自在に駆動することができる。
第２アクチュエータプレート４３は、上述した第１アクチュエータプレート４２とほぼ同一構成からなる。すなわち、第２アクチュエータプレート４３は、基プレート４３ａと、圧電素子４３ｂ、４３ｃとから構成される。基プレート４３ａは、第１アクチュエータプレート４２の基プレート４２ａと同一形状からなる。そして、基プレート４３ａがＸＹ平面上に延在するように、基プレート４３ａの一端側が、基台４１の固定面４１ａに固定されている。さらに、基プレート４３ａは、基プレート４２ａと同一ＸＹ平面上であって、基プレート４２ａに対向するように配置されている。そして、この基プレート４３ａは、ＸＹ平面上において、一端側に対して他端側がたわみ変形可能となるように、基台４１に固定されている。つまり、基プレート４３ａの他端側が、一端側に対してＺ軸回りに揺動可能となる。
ここで、基プレート４３ａと基台４１の固定面４１ａとのなす角度をθとする。なす角度θとは、基プレート４３ａの一端側と基台４１との固定位置から基プレート４２ａの一端側と基台４１との固定位置に近接する方向を零度と規定する。つまり、基台４１の固定面４１ａと基プレート４３ａとが平行な状態が、なす角度θが零度となる。また、基プレート４３ａが基台４１の固定面４１ａ上に垂直となる状態を９０度と規定する。なお、本実施形態においては、第２アクチュエータプレート４３の基プレート４３ａと基台４１の固定面４１ａとのなす角度θと、第１アクチュエータプレート４２の基プレート４２ａと基台４１の固定面４１ａとのなす角度θとは、同一としている。
圧電素子（ＰＺＴ）４３ｂ、４３ｃは、基プレート４３ａの両面に接着されている。これらの圧電素子４３ｂ、４３ｃは、上述した圧電素子４２ｂ、４２ｃと同一形状からなり、作用も実質的に同一であるので、説明を省略する。つまり、圧電素子４３ｂ、４３ｃは、電圧が印加されることにより、基プレート４３ａの他端側を一端側に対してＺ軸回りに揺動自在に駆動することができる。
第１連結部材４４は、鋼材からなり、直方体状をなしている。この第１連結部材４４の一端側は、第１アクチュエータプレート４２の基プレート４２ａの他端側に回転可能に連結されている。ここで、当該回転軸は、Ｚ軸に平行とされている。そして、この第１連結部材４４の部材長さをａとする。
第２連結部材４５は、第１連結部材４４と同様の、鋼材からなり、直方体状をなしている。この第２連結部材４５の一端側は、第２アクチュエータプレート４３の基プレート４３ａの他端側に回転可能に連結されている。ここで、当該回転軸は、Ｚ軸に平行とされている。そして、この第２連結部材４５の部材長さは、第１連結部材４４の部材長さと同様にａとする。そして、この第２連結部材４５の他端側は、第１連結部材４４の他端側に回転可能に連結されている。つまり、第１連結部材４４の他端側と第２連結部材４５の他端側とは、相互に回転可能に連結されている。そして、当該回転軸は、Ｚ軸に平行とされている。
ここで、図１１に示すように、圧電素子４２ｂ、４２ｃ、４３ｂ、４３ｃに電圧を印加していない状態において、第１連結部材４４の一端側と第２連結部材４５の一端側との離間距離をｂとする。そして、図１１に示すように、圧電素子４２ｂ等に電圧を印加していない状態において、当該離間距離ｂは第１連結部材４４の部材長さａと第２連結部材４５の部材長さａとの合計値（＝２ａ）よりも小さくされている。つまり、圧電素子４２ｂ等に電圧を印加していない状態において、第１連結部材４４と第２連結部材４５とが一直線上に位置せず、屈曲した状態とされている。換言すると、第１連結部材４４及び第２連結部材４５により、辺の長さがａ、ａ、ｂの二等辺三角形をなすようにされている。さらに、圧電素子４２ｂ等に電圧を印加していない状態において、第１連結部材４４の他端側及び第２連結部材４５の他端側との連結位置は、第１連結部材４４の一端側及び第２連結部材４５の一端側よりも基台４１の固定面４１ａに近接する側に位置するようにされている。
作用部材４６は、第１連結部材４４の他端側に固定されている。そして、作用部材４６は、第２連結部材４５の他端側に対してＺ軸回りに回転可能に連結されている。また、この作用部材４６は、触知ピン３３の一端側に連結固定されている。
（２．４）２自由度アクチュエータ３２の動作
次に、２自由度アクチュエータ３２の動作について、図１３を参照して説明する。図１３（ａ）（ｂ）は、２自由度アクチュエータ３２の動作について説明する図である。
まず、図１３（ａ）を用いて説明する。図１３（ａ）は、圧電素子４２ｂ、４２ｃに電圧を印加することにより、第１アクチュエータプレート４２の他端側が一端側に対して、図１３（ａ）の右側に移動するようにしている。また、圧電素子４３ｂ、４３ｃに電圧を印加することにより、第２アクチュエータプレート４３の他端側が一端側に対して図１３（ａ）の左側に移動するようにしている。
この場合、第１連結部材４４及び第２連結部材４５は、第１、第２アクチュエータプレート４２、４３の基プレート４２、４３の他端側に対してＺ軸回りに回転し、且つ、相互にＺ軸回りに回転する。従って、作用部材４６の位置は、圧電素子４２ｂ等に電圧を印加する前の状態から、Ｙ負方向（図１３（ａ）の下方側）へ移動する。
次に、図１３（ｂ）を用いて説明する。図１３（ｂ）は、圧電素子４２ｂ、４２ｃに電圧を印加することにより、第１アクチュエータプレート４２の他端側が一端側に対して、図１３（ｂ）の左側に移動するようにしている。また、圧電素子４３ｂ、４３ｃに電圧を印加することにより、第２アクチュエータプレート４３の他端側が一端側に対して図１３（ａ）の左側に移動するようにしている。
この場合、第１連結部材４４及び第２連結部材４５は、第１、第２アクチュエータプレート４２、４３の基プレート４２、４３の他端側に対してＺ軸回りに回転し、且つ、相互にＺ軸回りに回転する。従って、作用部材４６の位置は、圧電素子４２ｂ等に電圧を印加する前の状態から、Ｘ負方向（図１３（ａ）の左側）へ移動する。
このように、圧電素子４２ｂ等への印加電圧により、基台４１に対する作用部材４６のＸＹ平面上の位置を変更することができる。そして、作用部材４６のＸＹ平面上の移動に伴って、触知ピン３３が触覚呈示プレート３１の孔３１ａ内のＸＹ平面上にて移動する。
（２．５）２自由度アクチュエータ３２の制御
（２．５．１）第１の制御
ここで、上述したように圧電素子４２ｂ等に電圧を印加することにより、基台４１に対して作用部材４６をＸＹ平面上にて移動させ、位置制御できることについて、数式を用いて詳細に説明する。ここで、図１１における第１連結部材４４及び第２連結部材４５を含む部分の拡大図である図１４を参照しながら説明する。図１４において、圧電素子４２ｂ等に電圧を印加していない状態における第１連結部材４４の一端側（第１アクチュエータプレート４２の他端側）の位置をＡ１と示し、第２連結部材４５の一端側（第２アクチュエータプレート４３の他端側）の位置をＢ１と示し、第１連結部材４４及び第２連結部材４５の他端側の位置をＣ１と示す。また、圧電素子４２ｂ等に電圧を印加した状態における第１連結部材４４の一端側の位置をＡ２と示し、第２連結部材４５の一端側の位置をＢ２と示し、第１連結部材４４及び第２連結部材４５の他端側の位置をＣ２と示す。
まず、数１に、各種記号の意味を記す。
【数１】
2007119603.tif 000003
2007119603.tif 000004
そして、第１連結部材４４及び第２連結部材４５の幾何学的関係より、Ａ２、Ｂ２の位置座標は、数２のようになる。
【数２】
2007119603.tif 000005
ここで，ａ＞ｂ／２とする。
次に、Ｃ１からＣ２へのベクトルｕを数３とすると、第１連結部材４４及び第２連結部材４５の部材長さが変化しないという条件から数４の関係式が得られる。
【数３】
2007119603.tif 000006
【数４】
2007119603.tif 000007
一方、第１アクチュエータプレート４２の他端側の位置Ａ１及び第２アクチュエータプレート４３の他端側の位置Ｂ１の変位は、数５のように表すことができる。
【数５】
2007119603.tif 000008
従って、数４に数５を代入することにより、数６が得られる。
【数６】
2007119603.tif 000009
次に、数６の関係式の時間微分は、数７に示すようになる。
【数７】
2007119603.tif 000010
ここで，Ａ１１，Ａ１２，Ａ２１，Ａ２２，ｈ１１，ｈ１２，ｈ２１及びｈ２２は次式で表される。
2007119603.tif 000011
ここで、数７の第４番目の行列で表された式を直接表記で表すと、数８に示すようになる。
【数８】
2007119603.tif 000012
つまり、Ｃ１からＣ２へのベクトルｕと、このベクトルｕの時間微分値ｄｕ／ｄｔとが与えられた場合には、数８に基づいて数値積分を実行することにより、次のステップにて出力すべき電圧を算出することができる。このようにして算出した電圧Ｖに基づいて、第１アクチュエータプレート４２の圧電素子４２ｂ、４２ｃ及び第２アクチュエータプレート４３の圧電素子４３ｂ、４３ｃに電圧を印加することにより、作用部材４６の位置を制御することができる。
（２．５．２）第２の制御
上記第１の制御においては、数５に示したように、アクチュエータプレート４２、４３のたわみ量ＵＲ、ＵＬと圧電素子４２ｂ、４２ｃ、４３ｂ、４３ｃへの印加電圧ＶＲ、ＶＬとの関係は、圧電定数ｄ３１に比例するものとして示した。しかし、一般に、圧電素子は、ヒステリシス現象があることに加えて、個体差がある。ここで、ヒステリシス現象について、図１５及び図１６に示す。図１５は、第１アクチュエータプレート４２の圧電素子４２ｂ、４２ｃに印加する電圧を無次元化した値と、第１アクチュエータプレート４２のたわみ量ＵＲを無次元化した値との関係を示す。図１６は、第２アクチュエータプレート４３の圧電素子４３ｂ、４３ｃに印加する電圧を無次元化した値と、第２アクチュエータプレート４３のたわみ量ＵＬを無次元化した値との関係を示す。
ここで、図１５及び図１６において、三角点及び丸点が、圧電素子に所定の電圧を印加する実験を行った結果における第１、第２アクチュエータプレート４２、４３のたわみ量を示す。三角点は、圧電素子への印加電圧の変動範囲を大きくしたものを示し、丸点は、圧電素子への印加電圧の変動範囲を小さくしたものを示す。また、実線が、後述するニューラルネットワークを用いて圧電素子に電圧を連続的に変化させながら印加した場合における、第１、第２アクチュエータプレート４２、４３のたわみ量を示す。
図１５及び図１６の三角点及び丸点に示すように、印加電圧が大きいほど、第１、第２アクチュエータプレート４２、４３のたわみ量が大きくなっている。ただし、印加電圧を大きくしていく場合に比べて、印加電圧を小さくしていく場合の方が、第１、第２アクチュエータプレート４２、４３のたわみ量が大きくなっている。これがヒステリシス現象である。
そして、図１５と図１６とを比較すると、印加電圧を大きくしていく場合と印加電圧を小さくしていく場合とにおけるたわみ量の差が、第１アクチュエータプレート４２の方が、第２アクチュエータプレート４３に比べて大きくなっている。
そこで、このようなヒステリシス現象及び個体差の影響を補正できるように制御することが望まれる。当該補正をできる制御部について、図１７を参照して説明する。図１７は、制御部１００のブロック図を示す。
図１７に示すように、制御部１００は、入力情報変換部１１０と、第１制御部１２０と、第２制御部１３０とから構成される。第１制御部１２０は、極性判定部１２１と、変位量積分器１２２と、ニューラルネットワーク演算部１２３と、電圧積分器１２４とから構成される。第２制御部１３０は、極性判定部１３１と、変位量積分器１３２と、ニューラルネットワーク演算部１３３と、電圧積分器１３４とから構成される。
入力情報変換部１１０は、作用部材４６のＸＹ座標系における位置の目標移動量（ｄＵｘ／ｄｔ、ｄＵｙ／ｄｔ）を入力し、これらを第１、第２アクチュエータプレート４２、４３のたわみ量の変化量（ｄＵＲ／ｄｔ、ｄＵＬ／ｄｔ）に変換する。この変換は、上記数２〜数４より求めることができる。
第１制御部１２０の極性判定部１２１は、第１アクチュエータプレート４２のたわみ量の変化量ｄＵＲ／ｄｔが、０（ゼロ）より大きいか否かを判定する。そして、当該変化量ｄＵＲ／ｄｔが０より大きい場合には、［１、０］を出力する。一方、当該変化量ｄＵＲ／ｄｔが０より小さい場合には、［０、１］を出力する。つまり、ここで、図１５及び図１６における、縦軸の無次元化変化が増大している場合と、減少している場合とで、場合分けしている。第１制御部１２０の変位量積分器１２２は、第１アクチュエータプレート４２のたわみ量の変化量ｄＵＲ／ｄｔを積分する。
第１制御部１２０のニューラルネットワーク演算部１２３は、バックプロバゲーションモデルを用いたニューラルネットワークである。このバックプロバゲーションモデルは、多段パーセプトロンとも言われる。このバックプロバゲーションモデルとは、入力層と出力層との間に、中間層を有する点が特徴的である。
そして、具体的には、ニューラルネットワーク演算部１２３は、極性判定部１２１から出力される情報［１、０］または［０、１］と、変位量積分器１２２により算出される変位積分結果情報と、後述する電圧積分器１２４により算出される電圧積分結果情報とを入力している。そして、これらの入力情報に基づいて、出力情報である圧電素子４２ｂ、４２ｃへの印加電圧の時間微分ｄＶＲ／ｄｔを算出する。
ここで、ニューラルネットワーク演算部１２３は、以下のような手順で予め学習させておく。まず、作用部材４６の軌道計画が決定し、この軌道計画において第１アクチュエータ４２のたわみ量の変化量ｄＵＲ／ｄｔが時間経過毎に算出できる。そして、この軌道計画において、上記入力情報に対する出力情報を学習する。このように学習した入力情報と出力情報との関係は、ニューラルネットワーク演算部１２３に記憶されるため、実際に制御する際には、マップ制御のようにして出力情報を出力できる。つまり、非常に高速に処理できる。
そして、第１制御部１２０の電圧積分器１２４は、ニューラルネットワーク演算部１２３により算出された印加電圧の時間微分ｄＶＲ／ｄｔを積分して、印加電圧ＶＲを算出する。この印加電圧ＶＲを圧電素子４２ｂ、４２ｃに印加する。
第２制御部１３０の極性判定部１３１、変位量積分器１３２、ニューラルネットワーク演算部１３３、電圧積分器１３４は、第１制御部１２０の極性判定部１２１、変位量積分器１２２、ニューラルネットワーク演算部１２３、電圧積分器１２４に対して、第２アクチュエータプレート４３が対象となることが相違するが、実質的に同一の処理を行う。つまり、第２制御部１３０は、入力情報変換部１１０から入力される第２アクチュエータプレート４３のたわみ量の変化量ｄＵＬ／ｄｔに基づいて、圧電素子４３ｂ、４３ｃへの印加電圧ＶＬを算出し、圧電素子４３ｂ、４３ｃに印加する。
このように、ニューラルネットワークを用いることで、圧電素子のヒステリシス現象及び圧電素子の個体差を考慮した上で、圧電素子を駆動することができる。従って、高精度に位置決めができる。さらに、ニューラルネットワークを用いることで、一度学習した後であれば高速処理ができるため、非常に高い応答性を発揮できる。
（２．５）θ、ｂ／ａと、Ｕｘ，Ｕｙとの関係
次に、なす角度θと、第１連結部材４４の部材長さａに対する第１連結部材４４の他端側と第２連結部材４５の他端側との離間距離ｂの割合ｂ／ａと、作用部材４６のＸ方向の変位量Ｕｘと、作用部材４６のＹ方向の変位量Ｕｙとの関係について図１８及び図１９を参照して説明する。図１８は、なす角度θを６０度とした場合において、横軸を割合ｂ／ａとし、縦軸を変位量Ｕｘ、Ｕｙのそれぞれとした図である。図１９（ａ）〜図１９（ｃ）は、それぞれ、割合ｂ／ａを１．１、１．４、１．７とした場合において、横軸をθとし、縦軸を変位量Ｕｘ、Ｕｙのそれぞれとした図である。まずは、図１８及び図１９における条件を数９に示す。
【数９】
2007119603.tif 000013
なお、電圧ＶＬ、ＶＲの正負の定義は、図１４において、図に示す方向（図１４の下方側）にたわみ量ＵＲ、ＵＬのたわみを生じさせる電圧を正（＋）とし、逆方向（図１４の上方側）にたわみ量ＵＲ、ＵＬのたわみを生じさせる電圧を負（−）とする。
図１８に示すように、なす角度θが６０度の場合には、割合ａ／ｂが増加するにつれて、Ｘ方向の変位量Ｕｘは減少している。一方、割合ａ／ｂが増加するにつれて、Ｙ方向の変位量Ｕｙは増加している。そして、割合ａ／ｂが１．４付近にて、Ｘ方向の変位量ＵｘとＹ方向の変位量Ｕｙとが一致している。つまり、割合ａ／ｂを１．４付近とすることで、Ｘ方向の変位量ＵｘとＹ方向の変位量Ｕｙとの差を小さくすることができる。従って、Ｘ方向の剛性とＹ方向の剛性との差が小さくなる。その結果、Ｘ方向への変位とＹ方向への変位をより安定的に且つ高精度に位置制御することができ、特に、割合ａ／ｂを１．４とした場合が最適であるが、割合ａ／ｂを１．３〜１．５の範囲内とすることで、十分な効果がある。
次に、図１９（ａ）に示すように、割合ａ／ｂを１．１とした場合には、なす角度θが３０〜４０度の範囲において、Ｘ方向の変位量Ｕｘ及びＹ方向の変位量Ｕｙの何れもが最大値を示す。そして、なす角度θが３０度付近より小さくなるに従って、さらには４０度付近より大きくなるに従って、変位量Ｕｘ、Ｕｙは小さくなる。さらに、割合ａ／ｂを１．１とした場合には、なす角度θに関わらず、Ｘ方向の変位量ＵｘがＹ方向の変位量Ｕｙよりも大きい。
また、図１９（ｂ）に示すように、割合ａ／ｂを１．４とした場合には、なす角度θが４０〜５０度の範囲において、Ｘ方向の変位量Ｕｘ及びＹ方向の変位量Ｕｙの何れもが最大値を示す。そして、なす角度θが４０度付近より小さくなるに従って、さらには５０度付近より大きくなるに従って、変位量Ｕｘ、Ｕｙは小さくなる。さらに、割合ａ／ｂを１．４とした場合には、なす角度θが０〜９０度の全範囲において、ほぼ一致している。
また、図１９（ｃ）に示すように、割合ａ／ｂを１．７とした場合には、なす角度θが５０〜６０度の範囲において、Ｘ方向の変位量Ｕｘ及びＹ方向の変位量Ｕｙの何れもが最大値を示す。そして、なす角度θが５０度付近より小さくなるに従って、さらには６０度付近より大きくなるに従って、変位量Ｕｘ、Ｕｙは小さくなる。さらに、割合ａ／ｂを１．７とした場合には、なす角度θに関わらず、Ｘ方向の変位量ＵｘがＹ方向の変位量Ｕｙよりも小さい。
このように、割合ａ／ｂによって詳細には異なるが、なす角度θを３０〜６０度の範囲にすることで、変位量Ｕｘ、Ｕｙを大きく確保することができる。
（３）第２実施形態
第１実施形態の触覚ディスプレイ装置１においては、２自由度アクチュエータ３２を採用した。そして、この２自由度アクチュエータ３２を作用することにより、触知ピン３３をＸ方向及びＹ方向への移動を可能とした。これに加えて、Ｚ方向への移動をも可能とする触覚ディスプレイ装置１の場合には、以下に説明する３自由度アクチュエータ５０を第１実施形態の触覚ディスプレイ装置１を構成する２自由度アクチュエータ３２に置き換えるとよい。そうすると、触知ピン３３をＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向へ移動させることができるので、指表面に対してせん断方向及び垂直方向へ移動させることができる。これにより、さらに多くの触覚を呈示することができる。
以下に、第２実施形態の３自由度アクチュエータ５０について図２０を参照して説明する。図２０は、第２実施形態の３自由度アクチュエータ５０を示す模式図である。図２０に示すように、３自由度アクチュエータ５０は、基台５１と、第１アクチュエータプレート５２と、第２アクチュエータプレート５３と、第３アクチュエータプレート５４と、第１連結部材５５と、第２連結部材５６と、第３連結部材５７と、作用部材５８とから構成される。そして、この３自由度アクチュエータ５０は、基台５１に対して作用部材５８をＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向へ移動可能とする構成とされている。
ここで、基台５１は、第１実施形態における２自由度アクチュエータ３２の基台４１と実質的に同一である。第１アクチュエータプレート５２、第２アクチュエータプレート５３、及び、第３アクチュエータプレート５４は、それぞれ基台５１に固定されている。そして、これら第１〜第３アクチュエータプレート５２〜５４の詳細構成は、第１実施形態における２自由度アクチュエータ３２の第１アクチュエータプレート４２と実質的に同一の構成からなる。
第１連結部材５５は、鋼材からなり、直方体状をなしている。この第１連結部材５５の一端側は、第１アクチュエータプレート５２の他端側にボールジョイントを介して連結されている。すなわち、第１連結部材５５は、第１アクチュエータプレート５２に対して、Ｘ軸回り、Ｙ軸回り、Ｚ軸回りに回転可能とされている。
第２連結部材５６は、鋼材からなり、直方体状をなしている。この第２連結部材５６の一端側は、第２アクチュエータプレート５３の他端側にボールジョイントを介して連結されている。すなわち、第２連結部材５６は、第２アクチュエータプレート５３に対して、Ｘ軸回り、Ｙ軸回り、Ｚ軸回りに回転可能とされている。
第３連結部材５７は、鋼材からなり、直方体状をなしている。この第３連結部材５７の一端側は、第３アクチュエータプレート５４の他端側にボールジョイントを介して連結されている。すなわち、第３連結部材５７は、第３アクチュエータプレート５４に対して、Ｘ軸回り、Ｙ軸回り、Ｚ軸回りに回転可能とされている。
作用部材５８は、第１連結部材５５の他端側及び第２連結部材５６の他端側に、ボールジョイントを介して連結されている。つまり、作用部材５８は、第１連結部材５５及び第２連結部材５６に対して、Ｘ軸回り、Ｙ軸回り、及びＺ軸回りに回転可能とされている。さらに、この作用部材５８は、第３連結部材５７の他端側に固定されている。また、この作用部材５８は、触知ピン３３の一端側に連結固定されている。
（４）第３実施形態
また、上記第１実施形態における２自由度アクチュエータ３２及び第２実施形態における３自由度アクチュエータ５０は、何れもいわゆるパラレル型である。つまり、２自由度アクチュエータ３２及び３自由度アクチュエータ５０を構成する複数のアクチュエータプレート４２、４３、５２〜５４が、基台４１、５１に固定される構成からなる。
これに対して、いわゆるシリアル型のアクチュエータが考えられる。つまり、第１実施形態における２自由度アクチュエータ３２をシリアル型２自由度アクチュエータ６０、７０に置き換えることができる。そこで、シリアル型２自由度アクチュエータ６０、７０について、図２１及び図２２を参照して説明する。図２１は、シリアル型２自由度アクチュエータ６０について示す。図２２は、シリアル型２自由度アクチュエータ７０について示す。
図２１に示すように、シリアル型２自由度アクチュエータ６０は、基台６１と、第１アクチュエータプレート６２と、第２アクチュエータプレート６３と、作用部材６４とから構成される。第１、第２アクチュエータプレート６２、６３は、上述した第１実施形態における２自由度アクチュエータ３２の第１アクチュエータプレート４２と実質的に同一の構成からなる。そして、第１アクチュエータプレート６２の一端側が基台６１に固定されている。ここで、第１アクチュエータプレート６２は、Ｚ軸方向に延在するように、且つ、ＹＺ平面上において一端側に対して他端側がたわみ変形可能となるように、基台６１に固定されている。つまり、第１アクチュエータプレート６２の他端側が、一端側に対してＸ軸回りに揺動可能である。
第２アクチュエータプレート６３の一端側が、第１アクチュエータプレート６２の他端側に、第１アクチュエータプレート６２に直交するように固定されている。具体的には、第２アクチュエータプレート６３は、Ｙ軸方向に延在するように、第１アクチュエータプレート６２に固定されている。さらに、第２アクチュエータプレート６３は、ＸＹ平面上において一端側に対して他端側がたわみ変形可能となるようにされている。つまり、第２アクチュエータプレート６３の他端側が、一端側に対してＺ軸回りに揺動可能である。
そして、作用部材６４は、第２アクチュエータプレート６３の他端側に固定されている。また、作用部材６４は、触知ピン３３の一端側に連結固定されている。
つまり、第１アクチュエータプレート６２の圧電素子に電圧を印加することにより、作用部材６４が基台６１に対してＹ方向に移動する。また、第２アクチュエータプレート６３の圧電素子に電圧を印加することにより、作用部材６４が基台６１に対してＸ方向に移動する。
次に、図２２に示すように、シリアル型２自由度アクチュエータ７０は、基台７１と、第１アクチュエータプレート７２と、第２アクチュエータプレート７３と、第３アクチュエータプレート７４と、作用部材７５とから構成される。
第１、第２、第３アクチュエータプレート７２、７３、７４は、上述した第１実施形態における２自由度アクチュエータ３２の第１アクチュエータプレート４２と実質的に同一の構成からなる。そして、第１アクチュエータプレート７２の一端側が基台７１に固定されている。ここで、第１アクチュエータプレート７２は、Ｚ軸方向に延在するように、且つ、ＹＺ平面上において一端側に対して他端側がたわみ変形可能となるように、基台７１に固定されている。つまり、第１アクチュエータプレート７２の他端側が、一端側に対してＸ軸回りに揺動可能である。
第２アクチュエータプレート７３は、第１アクチュエータプレート７２と平行に配置されている。つまり、第２アクチュエータプレート７３の一端側が基台７１に固定されている。そして、第２アクチュエータプレート７３は、Ｚ軸方向に延在するように、且つ、ＹＺ平面上において一端側に対して他端側がたわみ変形可能となるように、基台７１に固定されている。つまり、第２アクチュエータプレート７３の他端側が、一端側に対してＸ軸回りに揺動可能である。
第３アクチュエータプレート７４の一端側が、第１アクチュエータプレート７２及び第２アクチュエータプレート７３の他端側に、第１アクチュエータプレート７２及び第２アクチュエータプレート７３に直交するように固定されている。具体的には、第３アクチュエータプレート７４は、Ｙ軸方向に延在するように、第１アクチュエータプレート７２及び第２アクチュエータプレート７３に固定されている。さらに、第３アクチュエータプレート７４は、ＸＹ平面上において一端側に対して他端側がたわみ変形可能となるようにされている。つまり、第３アクチュエータプレート７４の他端側が、一端側に対してＺ軸回りに揺動可能である。
そして、作用部材７５は、第３アクチュエータプレート７４の他端側に固定されている。また、作用部材７５は、触知ピン３３の一端側に連結固定されている。
つまり、第１アクチュエータプレート７２及び第２アクチュエータプレート７３の圧電素子に電圧を印加することにより、作用部材７５が基台７１に対してＹ方向に移動する。また、第３アクチュエータプレート７４の圧電素子に電圧を印加することにより、作用部材７５が基台７１に対してＸ方向に移動する。そして、第１アクチュエータプレート７２と第２アクチュエータプレート７３とを平行に配置することで、剛性を高めることができる。
また、第２実施形態における３自由度アクチュエータ５０をシリアル型３自由度アクチュエータ８０に置き換えることができる。そこで、シリアル型３自由度アクチュエータ８０について、図２３を参照して説明する。図２３は、シリアル型３自由度アクチュエータ８０について示す。なお、シリアル型３自由度アクチュエータ８０において、図２１に示すシリアル型２自由度アクチュエータ６０と同一構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
シリアル型３自由度アクチュエータ８０は、基台６１と、第１アクチュエータプレート６２と、第２アクチュエータプレート６３と、第３アクチュエータプレート８１と、作用部材８２とから構成される。第１、第２、第３アクチュエータプレート６２、６３、８１は、上述した第１実施形態における２自由度アクチュエータ３２の第１アクチュエータプレート４２と実質的に同一の構成からなる。
第３アクチュエータプレート８１の一端側が、第２アクチュエータプレート６３の他端側に、第１、第２アクチュエータプレート６２、６３に直交するように固定されている。具体的には、第３アクチュエータプレート８１は、Ｘ軸方向に延在するように、第２アクチュエータプレート６３に固定されている。さらに、第３アクチュエータプレート８１は、ＸＺ平面上において一端側に対して他端側がたわみ変形可能となるようにされている。つまり、第３アクチュエータプレート８１の他端側が、一端側に対してＹ軸回りに揺動可能である。
そして、作用部材８２は、第３アクチュエータプレート８１の他端側に固定されている。また、作用部材８２は、触知ピン３３の一端側に連結固定されている。
つまり、第１アクチュエータプレート６２の圧電素子に電圧を印加することにより、作用部材８２が基台６１に対してＹ方向に移動する。また、第２アクチュエータプレート６３の圧電素子に電圧を印加することにより、作用部材８２が基台６１に対してＸ方向に移動する。また、第３アクチュエータプレート８１の圧電素子に電圧を印加することにより、作用部材８２が基台６１に対してＺ方向に移動する。
なお、当該圧電素子を上記第１実施形態の圧電素子と同一の大きさとすることで、確実に、触知ピン３３のピン間隔を２ｍｍ以内とできる。具体的には、圧電素子の短手方向幅および厚みが起因する。
（５）第４実施形態
次に、上記第１〜第３実施形態においては、触覚ディスプレイ装置１について説明した。ここで、触覚ディスプレイ装置１を構成する２自由度アクチュエータ３２、６０、７０、及び、３自由度アクチュエータ５０、８０は、以下に説明するハンドリング装置９０に適用することもできる。ハンドリング装置９０は、物体を把持し、搬送することができる装置である。例えば、ハンドリング装置９０が、物体を把持する部分として第１把持部材と第２把持部材とを備える場合には、第１把持部材と第２把持部材との駆動に上述した２自由度アクチュエータ３２、６０、７０又は３自由度アクチュエータ５０、８０を用いる。
例えば、第１実施形態の触覚ディスプレイ装置１を構成する２自由度アクチュエータ３２をハンドリング装置９０に適用した場合について、図２４を参照して説明する。図２４は、ハンドリング装置９０を示す図である。
図２４に示すように、ハンドリング装置９０は、第１の２自由度アクチュエータ９１と、第２の２自由度アクチュエータ９２と、第１把持部材９３と、第２把持部材９４とから構成される。
第１の２自由度アクチュエータ９１及び第２の２自由度アクチュエータ９２は、上述した第１実施形態の触覚ディスプレイ装置１を構成する２自由度アクチュエータ３２である。すなわち、第１の２自由度アクチュエータ９１は、基台に対して作用部材を直交２軸方向に移動可能とする。また、第２の２自由度アクチュエータ９２は、基台に対して作用部材を直交２軸方向に移動可能とする。
第１把持部材９３は、第１の２自由度アクチュエータ９１の作用部材に連結されている。また、第２把持部材９４は、第２の２自由度アクチュエータ９２の作用部材に連結されている。つまり、第１把持部材９３は、第１の２自由度アクチュエータ９１を駆動することにより、直交２軸方向に移動する。また、第２把持部材９４は、第２の２自由度アクチュエータ９２を駆動することにより、直交２軸方向に移動する。
そして、第１把持部材９３と第２把持部材９４とを移動することにより、第１把持部材９３及び第２把持部材９４との間に物体を挟むように把持することができる。さらに、物体を把持した状態で、第１把持部材９３と第２把持部材９４とを移動することにより、物体を搬送することができる。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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