(57)【要約】【課題】スペース効率が高く、低コストの触感呈示装置が提供できる。【解決手段】触感呈示装置は、物体に接触している指先にかかる振動感を再現する触感呈示装置であって、筐体２８と、筐体２８の上面に接して設けられ、指先への接触面となる振動膜３０と、振動膜３０の指先の接触面と対向する面に形成されたマトリックス電極１０と、筐体２８に封入されたマトリックス電極１０の印加電圧によって粘性を制御できる電気粘性流体３２と、電気粘性流体３２に脈圧を発生させ、振動膜３０を間接的に振動させるアクチュエーター１２と、マトリックス電極１０に与えられる電圧を独立に制御するとともに、アクチュエーター１２による脈圧の変位と力とを制御するための制御手段と、を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体に接触している指先にかかる振動感を再現する触感呈示装置であって、
筐体と、
前記筐体の上面に接して設けられ、前記指先への接触面となる振動膜と、
前記振動膜の前記指先の接触面と対向する面に、電極対をマトリックス状に配置して設けられたマトリックス電極と、
前記筐体に封入された前記マトリックス電極の印加電圧によって粘性を制御できる電気粘性流体と、
前記電気粘性流体に脈圧を発生させ、前記振動膜を間接的に振動させるアクチュエーターと、
前記マトリックス電極に与えられる電圧を独立に制御するとともに、前記アクチュエーターによる脈圧の変位と力とを制御するための制御手段と、
を含むことを特徴とする触感呈示装置。
【請求項２】
請求項１に記載の触感呈示装置において、
前記振動膜の開口部の面積よりも、前記アクチュエーターにより振動するダイヤフラムの面積のほうが大きいことを特徴とする触感呈示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触感呈示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から振動モーター、圧電素子や形状記憶合金などを振動源とした刺激素子にて、皮下組織の受容器を刺激することにより、触感感情を呈示する装置が知られている。皮膚に刺激（振動）が加わると、皮下組織の数種類の受容器が刺激される。受容器には、１００Ｈｚ以下の振動を知覚し順応が速く受容野が狭いマイスナー小体、１００〜３００Ｈｚ程度の振動を知覚し順応が速く受容野が広いパチニ小体、受容野が狭く圧力に反応するメルケル触盤、圧力や伸びに反応するルフィニ終末などがある。パチニ小体は、２００Ｈｚ程度の振動に最も敏感に反応し、マイスナー小体は、３０Ｈｚ程度の振動に最も敏感に反応するとされている。これらの受容器を的確に刺激することで様々な触感が呈示できる。
【０００３】
例えば、絶縁体ケースに電気粘性流体を封入し、上面に接地された導電性ゴム、下面に微小電極群を設け、電磁ポンプにより脈圧と微小電極群に印加する電圧を制御することで導電性ゴムに振動を発生させている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−８５４３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、この方法では導電性ゴムの振動方向と電界が平行になっているため、電気粘性流体中の粒子は電界に平行につながる。電気粘性流体は流体の動き（この場合導電性ゴムの振動方向）と垂直に粒子がつながると効率よく見かけの粘度が変化する（イメージとして図９）。そのため、従来例で、適度な見かけ粘度を得るには印加電圧を高くする必要がある。印加電圧を低くするには、絶縁体ケースの高さを低くすれば良いが、流体抵抗が増大し、大きな電磁ポンプが必要となってしまう。すなわち装置が巨大化、高コスト化するといった課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］本適用例に係る触感呈示装置は、物体に接触している指先にかかる振動感を再現する触感呈示装置であって、筐体と、前記筐体の上面に接して設けられ、前記指先への接触面となる振動膜と、前記振動膜の前記指先の接触面と対向する面に、電極対をマトリックス状に配置して設けられたマトリックス電極と、前記筐体に封入された前記マトリックス電極の印加電圧によって粘性を制御できる電気粘性流体と、前記電気粘性流体に脈圧を発生させ、前記振動膜を間接的に振動させるアクチュエーターと、前記マトリックス電極に与えられる電圧を独立に制御するとともに、前記アクチュエーターによる脈圧の変位と力とを制御するための制御手段と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
本適用例によれば、マトリックス電極に電圧を印加すると、電界に沿って電気粘性流体中の粒子が鎖状につながる。すなわち、振動膜の振動方向に垂直に粒子が鎖状につながる、すると、見かけ上その近傍の振動膜の剛性が高くなる。アクチュエーターを駆動すると、他の部分に比べ、剛性の高まった部分は変位しにくくなる。すなわち、アクチュエーターとマトリックス電極の制御により、振動刺激素子の数、位置、面積を容易に変更することができるため、これによって、スペース効率が高く、低コストの触感呈示装置が提供できる。
【０００９】
［適用例２］上記適用例に記載の触感呈示装置において、前記振動膜の開口部の面積よりも、前記アクチュエーターにより振動するダイヤフラムの面積のほうが大きいことを特徴とする。
【００１０】
本適用例によれば、アクチュエーター（ダイヤフラム）の振幅よりも振動膜の振幅は拡大されるため、低電圧駆動の触感呈示装置が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係る触感呈示装置を示す図。
【図２】本実施形態に係る触感呈示部の構造を示す図。（Ａ）は上面図。（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ´線断面図。
【図３】本実施例に係るマトリックス電極の構造を示す図。
【図４】本実施例に係るマトリックス電極を示す断面図。（Ａ）は図３のＣ−Ｃ´線断面図。（Ｂ）は図３のＤ−Ｄ´線断面図。
【図５】本実施例に係るマトリックス電極の中心部のみに電圧を印加せずに凸形状刺激素子を形成する方法を示す図。
【図６】本実施例に係る図５のＦ−Ｆ´線断面図。
【図７】本実施例に係るマトリックス電極の右下部により大きな凸形状刺激素子を形成する方法を示す図。
【図８】本実施例に係る図７のＧ−Ｇ´線断面図。
【図９】本実施例に係るマトリックス電極の左上部及び右下部に凸形状刺激素子を形成する方法を示す図。
【図１０】本実施例に係る図９のＨ−Ｈ´線断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る触感呈示装置を示す図である。先ず、本実施形態に係る指先にかかる振動感覚を呈示する触感呈示装置２について説明する。
【００１３】
本実施形態に係る触感呈示装置２は、図１に示すように、マトリックス電極１０とアクチュエーター１２とを含み、物体に接触している指先にかかる振動感を再現する触感呈示部４と、マトリックス電極１０に与えられる電圧を独立に制御するとともに、アクチュエーター１２による脈圧の変位と力とを制御するための制御手段６と、を備える。
【００１４】
制御手段６は、触感呈示部４のアクチュエーター１２の振動波形を作成する波形作成部１４と、波形作成部１４で作成された駆動波形を適宜調整し、アクチュエーター１２による脈圧の変位と力とを制御する駆動制御部１６と、マトリックス電極１０に与えられる電圧を独立に制御する電圧制御部１８と、駆動制御部１６と電圧制御部１８とを制御する制御部２０と、を備えている。
【００１５】
駆動制御部１６は、波形作成部１４で作成された駆動波形を記憶するメモリー２２と、メモリー２２に記憶された駆動波形を適宜調整し波形を生成する波形生成器２４と、生成された駆動波形を増幅し触感呈示部４へ出力する出力増幅器２６と、を備えている。
【００１６】
図２は、本実施形態に係る触感呈示部４の構造を示す断面図である。（Ａ）は上面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ´線断面図である。本実施形態に係る触感呈示部４は、図２に示すように、筐体２８と、筐体２８の上面に接して設けられ、指先への接触面となる振動膜３０と、振動膜３０の指先の接触面と対向する面に、電極対をマトリックス状に配置して設けられたマトリックス電極１０と、筐体２８に封入されたマトリックス電極１０の印加電圧によって粘性を制御できる電気粘性流体３２と、電気粘性流体３２に脈圧を発生させ、振動膜３０を間接的に振動させるアクチュエーター１２と、を備えている。
【００１７】
触感呈示部４は、円筒形状の筐体２８の内部に円形のダイヤフラム３４を配置している。ダイヤフラム３４は、外周縁が筐体２８に固定支持されて弾性変形自在となっている。ダイヤフラム３４の底面には、ダイヤフラム３４を動かすためのアクチュエーター１２として、円形のピストン３６を介して図面の上下方向に伸縮する圧電素子が配置されている。
【００１８】
筐体２８の上部は開口しており、その開口に円形の液体封止上板３８を配置している。液体封止上板３８は、外周縁が筐体２８に固定支持されている。液体封止上板３８の中央には、開口部４０が設けられている。液体封止上板３８の上面には、開口部４０の開口を塞ぐ円形の振動膜３０が配置されている。振動膜３０の上面には、円形の押さえ板４２が配置されている。押さえ板４２の中央には、液体封止上板３８の開口部４０と重なる箇所に開口部４４が設けられている。振動膜３０は、液体封止上板３８と押さえ板４２とにより固定支持され、開口部４０，４４の箇所は弾性変形自在となっている。
【００１９】
筐体２８に用いる材料としては、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、セラミックス、樹脂などを挙げることができる。
【００２０】
振動膜３０に用いる材料としては、ゴム弾性を有する弾性材料（例えば、フッ素ゴム、シリコンゴム、ニトリルゴムなど）を挙げることができる。振動膜３０の厚さについては、例えば、本実施形態では、振動膜３０を７０μｍ前後の厚さで形成した。
【００２１】
押さえ板４２に用いる材料としては、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、セラミックス、樹脂などを挙げることができる。
【００２２】
液体封止上板３８に用いる材料としては、例えば、絶縁処理したステンレス鋼（ＳＵＳ）、セラミックス、樹脂などを挙げることができる。
【００２３】
開口部４０，４４の開口寸法については、例えば、本実施形態では、開口部４０，４４をφ２０ｍｍ前後の開口寸法で形成した。
【００２４】
マトリックス電極１０に用いる材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）、Ｎｉ、クロム（Ｃｒ）などを挙げることができる。なお、複数の金属の合金によりマトリックス電極１０を形成する構成としてもよい。
【００２５】
電気粘性流体３２は、アクチュエーター１２により発生した変位と力とを低損失で振動膜３０に伝達させる電気粘性流体である。電気粘性流体とは、電圧を印加することにより粘度が変化する流体であり、本発明では、電気粘性流体３２は、電圧を印加することにより粘度が瞬間的に増加するものを用いる。電気粘性流体３２は、単一の流体からなる均一系と、分散媒に粒子５８（図５参照）を分散させた分散系とに大別され、いずれも使用できるが、電圧の印加による粘性の増加は分散系のほうが大きいため、分散系を用いることが好ましい。なお、分散系に用いる粒子５８としては、シリカやゼオライト等の無機粒子、イオン交換樹脂やセルロース等の有機粒子、カーボンやポリアニンや金属フタロシアニン等の半導体粒子、表面に絶縁被覆を被覆した金属粒子、導電性ポリマー粒子、その他異方導電性や非線形非光学特性を持つ材料からなる粒子等が挙げられる。また、分散媒としては、石油系脂肪族炭化水素、ｎ−ヘキサン、ｎ−ペンタン等の脂肪族炭化水素、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素、シリコン油、オリーブ油、鉱油、流動パラフィン、セバシン酸ブチル等を挙げることができる。また、均一系としては、液晶性、粒度異方性、強誘電性、高双極子能率等を持つ物質又は溶液が挙げられる。なお、電気粘性流体３２としては、電気粘性流体３２と接する筐体２８、ダイヤフラム３４、液体封止上板３８、振動膜３０、及びマトリックス電極１０を劣化させることのないものを選択する。本実施形態では、分散系の電気粘性流体を用いた。ダイヤフラム３４、筐体２８、液体封止上板３８、及び振動膜３０の間の電気粘性流体３２が保持される空間が液体室４６であり、この液体室４６に電気粘性流体３２が充満している。
【００２６】
アクチュエーター１２は圧電素子（積層圧電素子）を備え、一端がアクチュエーター支持部４８に固定され、他端がピストン３６に固定されている。本実施形態において、アクチュエーター１２は、図中の矢印で示す上下方向に伸び縮みするモードを利用している。なお、アクチュエーター１２は、電圧の印加によって伸縮する又は歪む圧電素子を用いたアクチュエーターに限らず、電磁力によって伸縮する電磁アクチュエーター、静電力によって伸縮する静電アクチュエーターなど、他のアクチュエーターを用いてもよい。
【００２７】
ダイヤフラム３４に用いる材料としては、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、セラミックス、樹脂などを挙げることができる。ダイヤフラム３４の厚さについては、例えば、本実施形態では、ダイヤフラム３４を２０μｍ前後の厚さで形成した。
【００２８】
ピストン３６に用いる材料としては、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、セラミックス、樹脂などを挙げることができる。
【００２９】
アクチュエーター支持部４８に用いる材料としては、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、セラミックス、樹脂などを挙げることができる。
【００３０】
図３は、本実施例に係るマトリックス電極１０の構造を示す図である。電気粘性流体３２側からみた液体封止上板３８の開口の様子を示している。液体封止上板３８の開口する振動膜３０の表面には、マトリックス電極１０が形成されている。マトリックス電極１０は、＋電極５０−４〜５０−６、−電極５０−１〜５０−３がそれぞれ対向するように形成されている。マトリックス電極１０は、電気粘性流体３２と接している。電気粘性流体３２中の粒子５８を鎖状に形成させるには、数ｋＶ／ｍｍ程度の電界が必要となるため、各電極間隔が大きくなると高電圧を印加する必要がある。そのため、＋電極５０−４〜５０−６、−電極５０−１〜５０−３のそれぞれの間隔Ｐ１は１ｍｍ以下が好ましい（図５参照）。また、配線の交点はショートしないように絶縁性樹脂５２等を用いて配線を隔離している。
【００３１】
なお、図３に示すところでは説明の都合上、３×３のマトリックスを示している。そのマトリックス数は、各電極の数を増減することで任意に選択できることはもちろんである。
【００３２】
図３に示すように、ほぼ平行に配置した−電極５０−１〜５０−３と、同じくほぼ平行に配置した＋電極５０−４〜５０−６とは、互いにほぼ直交した状態で、振動膜３０の内面側に設けられており、各電極５０−１〜５０−６には、それぞれ設けられたスイッチＳ１〜Ｓ６が各別に接続されている。
【００３３】
スイッチＳ１〜Ｓ６は、電源への接続のＯＮ／ＯＦＦを切り替える役目を果たす。これらＳＷの全体がマトリックスドライブ回路を構成する。
【００３４】
上述した−電極５０−１〜５０−３と＋電極５０−４〜５０−６とからなるマトリックス電極１０の動作は、表現したい情報に応じて、シーケンサーの制御により各ＳＷの開閉を制御して、３×３個の電気粘性流体３２中の粒子５８を順に鎖状に形成させることで行われる。この動作は従来から知られているものと同じである。
【００３５】
そして、ピストン３６を上方に押すようにアクチュエーター１２を駆動させると、３×３個のうち電気粘性流体３２中の粒子５８が鎖状に形成されていない箇所の電気粘性流体３２は、液体封止上板３８の開口の振動膜３０を押し上げ凸形状刺激素子５４（図６参照）を形成し、アクチュエーター１２の駆動をｏｆｆすると凸形状刺激素子５４は消失する。これらを繰り返すことで、凸形状刺激素子５４を形成する。
【００３６】
図４は、本実施例に係るマトリックス電極１０を示す断面図である。（Ａ）は図３のＣ−Ｃ´線断面図であり、（Ｂ）は図３のＤ−Ｄ´線断面図である。液体封止上板３８上の配線５６−４，５６−５は下から力を受け、振動膜３０に埋め込まれている（領域Ｐ２参照）。振動膜３０は上から押さえ板４２、下から液体封止上板３８で挟まれ、圧縮されている（矢印Ｐ３参照）。ショートを防止するために絶縁性樹脂５２が長くなっている（矢印Ｐ４参照）。配線５６−２は、外部の電圧制御部１８に接続されている。
【００３７】
（実施例１）
図５は、本実施例に係るマトリックス電極１０の中心部のみに電圧を印加せずに凸形状刺激素子５４を形成する方法を示す図である。図６は、本実施例に係る図５のＦ−Ｆ´線断面図である。スイッチＳ１とスイッチＳ４とがＯＮのとき、矢印Ｐ５は電界の向きを示している。領域Ｐ６の電気粘性流体３２中の粒子５８が鎖状につながり、振動膜３０の領域Ｐ６の剛性は他より高くなる。スイッチングを繰り返すことで振動膜３０の領域Ｐ７の剛性だけが周辺より低いため、ピストン３６を上方に押すようにアクチュエーター１２を駆動させると、振動膜３０の領域Ｐ７のみ凸形状刺激素子５４が形成される。
【００３８】
マトリックス電極１０に電圧印加しない場合、アクチュエーター１２を駆動すると、開口部４０全体に（最大径の）凸形状刺激素子５４を形成する。マトリックス電極１０の中心部（図５の領域Ｐ７）のみに凸形状刺激素子５４を形成する場合の一例を説明する。スイッチＳ１からスイッチＳ６を以下のように順次ＯＮする。
【００３９】
（スイッチＳ１とスイッチＳ４）→（スイッチＳ１とスイッチＳ５）→（スイッチＳ１とスイッチＳ６）→（スイッチＳ２とスイッチＳ４）→（スイッチＳ２とスイッチＳ６）→（スイッチＳ３とスイッチＳ４）→（スイッチＳ３とスイッチＳ５）→（スイッチＳ３とスイッチＳ６）→（スイッチＳ１とスイッチＳ４）に戻る。
【００４０】
（スイッチＳ５とスイッチＳ１）をＯＮする前に、先にＯＮした（スイッチＳ１とスイッチＳ４）はＯＦＦする。以下同様に、ＯＮ、ＯＦＦする。電荷は保持されるので電気粘性流体３２中の粒子５８は電圧を印加したマトリックス電極１０間に鎖状につながった状態のままである。このようにすることで、開口部４０の中心部以外のマトリックス電極１０間に電気粘性流体３２中の粒子５８を鎖状につながらせることができる。すなわち中心部以外の振動膜３０の剛性を見かけ上高くすることができる。この状態でアクチュエーター１２を駆動すると、剛性の低い中心部のみに径の小さい凸形状刺激素子５４を形成することができる。アクチュエーター１２の振動波形を適宜調整することで、凸形状刺激素子５４の振幅、周波数を設定できる。
【００４１】
図６に示すように、マトリックス電極１０の中心部のみに凸形状刺激素子５４が形成されている。振幅するダイヤフラム３４の面積Ａ１より振動膜３０の開口部４０の面積Ａ２（図２（Ａ）参照）は小さいため、ダイヤフラム３４の振幅ｈ１より凸形状刺激素子５４の振幅ｈ２は大きくなり変位拡大される。
【００４２】
（実施例２）
図７は、本実施例に係るマトリックス電極１０の右下部により大きな凸形状刺激素子５４を形成する方法を示す図である。図８は、本実施例に係る図７のＧ−Ｇ´線断面図である。次にマトリックス電極１０の右下部により大きな面積の凸形状刺激素子５４を形成する場合の一例を説明する。先と同様に以下のようにスイッチを順次ＯＮする。
【００４３】
（スイッチＳ１とスイッチＳ４）→（スイッチＳ１とスイッチＳ５）→（スイッチＳ１とスイッチＳ６）→（スイッチＳ２とスイッチＳ４）→（スイッチＳ３とスイッチＳ４）→（スイッチＳ１とスイッチＳ４）に戻る。
【００４４】
このようにすることでマトリックス電極１０の右下部以外の振動膜３０の剛性が高くなる。よって剛性の低い右下部に先ほどより大きな面積の凸形状刺激素子５４を形成される。
【００４５】
図８に示すように、マトリックス電極１０の右下部により大きな凸形状刺激素子５４が形成されている。これにより、より大きな凸形状刺激素子５４を形成できる。
【００４６】
（実施例３）
図９は、本実施例に係るマトリックス電極の左上部及び右下部に凸形状刺激素子を形成する方法を示す図である。図１０は、本実施例に係る図９のＨ−Ｈ´線断面図である。次にマトリックス電極１０の左上部及び右下部に２つの凸形状刺激素子５４を形成する場合の一例を説明する。同様に以下のようにスイッチを順次ＯＮしていく。
【００４７】
（スイッチＳ１とスイッチＳ５）→（スイッチＳ１とスイッチＳ６）→（スイッチＳ２とスイッチＳ４）→（スイッチＳ２とスイッチＳ５）→（スイッチＳ２とスイッチＳ６）→（スイッチＳ３とスイッチＳ４）→（スイッチＳ３とスイッチＳ５）→（スイッチＳ１とスイッチＳ５）に戻る。
【００４８】
このようにすることでマトリックス電極１０の左上部及び右下部以外の振動膜の剛性が高くなる。よって剛性の低い左下部及び右下部に凸形状刺激素子５４が形成される。さらに、左上部のマトリックス電極１０に他の部分より弱い電圧を印加すると、右下部よりも小さい変位の凸形状刺激素子５４を形成できる。これは、弱い印加電圧により、電気粘性流体３２中の粒子５８がマトリックス電極１０間で弱くつながるため、右下部よりは振動膜３０の剛性は高いものの、そのほかの部分よりも剛性が低いためである。
【００４９】
図１０に示すように、マトリックス電極１０の左上部及び右下部に凸形状刺激素子５４が形成されている。
【符号の説明】
【００５０】
２…触感呈示装置  ４…触感呈示部  ６…制御手段  １０…マトリックス電極  １２…アクチュエーター  １４…波形作成部  １６…駆動制御部  １８…電圧制御部  ２０…制御部  ２２…メモリー  ２４…波形生成器  ２６…出力増幅器  ２８…筐体  ３０…振動膜  ３２…電気粘性流体  ３４…ダイヤフラム  ３６…ピストン  ３８…液体封止上板  ４０…開口部  ４２…押さえ板  ４４…開口部  ４６…液体室  ４８…アクチュエーター支持部  ５０…電極  ５２…絶縁性樹脂  ５４…凸形状刺激素子  ５６…配線  ５８…粒子。
【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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