(57)【要約】【課題】ゴミの付着が抑制された触覚機構を提供する。【解決手段】生体の皮膚にある触覚受容器を刺激する刺激超音波を発生する触覚部１０と、触覚部を内部空間に収納する収納部７０と、を有し、収納部には、送風部８０から送られてくる風を内部空間に導入する第１開口部７１が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体の皮膚にある触覚受容器（２００）を刺激する刺激超音波を発生する触覚部（１０）と、
前記触覚部を内部空間に収納する収納部（７０）と、を有し、
前記収納部には、送風部（８０）から送られてくる風を前記内部空間に導入する第１開口部（７１）が形成されていることを特徴とする触覚機構。
【請求項２】
前記収納部には前記刺激超音波を前記内部空間の外に出力しつつ、前記送風部によって流動された空気を排気する第２開口部（７２）が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の触覚機構。
【請求項３】
前記触覚部から出力された前記刺激超音波を反射して、前記第２開口部を介して前記内部空間の外に出力する反射部（９０）を有することを特徴とする請求項２に記載の触覚機構。
【請求項４】
前記触覚部は前記第２開口部よりも鉛直上方に位置し、前記反射部は前記第２開口部よりも鉛直下方に位置することを特徴とする請求項３に記載の触覚機構。
【請求項５】
前記触覚部は、複数の超音波素子（３１）と、前記刺激超音波を複数の前記超音波素子から発生させる制御部（４０）と、を有し、
前記制御部は、発振タイミングが決定された位相制御信号を複数の前記超音波素子に出力することで、前記内部空間の外の触覚提供位置（Ａ）に複数の前記超音波素子から発せられる前記刺激超音波の位相が高めあう集中点を形成し、前記触覚提供位置に前記生体が位置した時に前記触覚受容器を刺激して、前記生体に触覚を提供することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の触覚機構。
【請求項６】
前記刺激超音波が前記超音波素子から前記触覚提供位置へと進む軌跡と、前記送風部によって前記内部空間からその外へと流動される空気の軌跡とが交差する場合、前記制御部は、前記送風部による空気の流動による前記触覚提供位置の変位がキャンセルされるように、前記位相制御信号の発振タイミングを調整することを特徴とする請求項５に記載の触覚機構。
【請求項７】
前記内部空間の外の中空に画像を表示するディスプレイ（５０）と、
前記ディスプレイによって表示された前記画像の表示領域に前記生体が位置したか否かを判定する判定部（６０）と、を有し、
前記制御部は、前記判定部によって前記画像の表示領域に前記生体が位置したことが検出された場合に、前記刺激超音波を発生することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の触覚機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像とともに触感をユーザーに提供する触覚機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に示されるように、皮膚表面に空気を介して超音波を照射し、皮膚の触覚受容器を刺激することによって触感を人工的に生成する触覚装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２９８９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した触覚装置にゴミなどが付着した場合、それによって超音波を照射することが困難となる虞がある。
【０００５】
そこで本発明は上記問題点に鑑み、ゴミの付着が抑制された触覚機構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】
上記した目的を達成するための第１発明は、生体の皮膚にある触覚受容器（２００）を刺激する刺激超音波を発生する触覚部（１０）と、触覚部を内部空間に収納する収納部（７０）と、を有し、収納部には、送風部（８０）から送られてくる風を内部空間に導入する第１開口部（７１）が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
これによれば内部空間へごみなどの異物が入り込むことが抑制され、異物が触覚部（１０）に付着することが抑制される。
【０００８】
なお、特許請求の範囲に記載の請求項、および、課題を解決するための手段それぞれに記載の要素に括弧付きで符号をつけている。この括弧付きの符号は実施形態に記載の各構成要素との対応関係を簡易的に示すためのものであり、実施形態に記載の要素そのものを必ずしも示しているわけではない。括弧付きの符号の記載は、いたずらに特許請求の範囲を狭めるものではない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】触覚機構を示す模式図である。
【図２】触覚部の概略構成を示す上面図である。
【図３】超音波素子と触覚提供位置Ａを説明するための断面図である。
【図４】触覚受容器を説明するための断面斜視図である。
【図５】触覚受容器の反応と周波数の関係を示すグラフである。
【図６】触覚機構の変形例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を車両に適用した場合の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１〜図５に基づいて、本実施形態に係る触覚機構１００を説明する。以下においては鉛直方向をｚ方向、水平方向に沿いつつ、互いに直交の関係にある２方向をｘ方向およびｙ方向とする。
【００１１】
触覚機構１００は車両に設けられるものであり、図１に示すように車両のシートに着座したユーザーによって操作される。触覚機構１００は、触覚部１０、ディスプレイ５０、判定部６０、収納部７０、送風部８０、および、反射部９０を有する。触覚部１０は超音波をユーザーに印加することで触感をユーザーに与えるものであり、ディスプレイ５０は画像を中空に表示するものである。判定部６０は画像の表示領域に例えばユーザーの指などが位置したか否かを判定するものである。収納部７０は内部空間に触覚部１０を収納するものであり、送風部８０は内部空間からその外へと空気を排出するものである。そして反射部９０は触覚部１０から出力された超音波を反射して画像の表示領域に出力するものである。このように収納部７０の内部空間に触覚部１０が収納されるとともに、その外へと超音波と風とが出力される。
【００１２】
図２および図３に示すように触覚部１０は、基板２０、超音波素子群３０、および、制御部４０を有する。基板２０の一面２０ａに複数の超音波素子３１が設けられ、これら複数の超音波素子３１によって超音波素子群３０が構成されている。超音波素子群３０を構成する複数の超音波素子３１それぞれは、制御部４０によって駆動制御される。図２に曲線で示すように、複数の超音波素子３１それぞれから超音波が発振されるが、超音波は山と谷とを有するので、各超音波素子３１から出力された超音波は互いに強めあったり、弱めあったりする。超音波が互いに強めあう位置や、互いに弱めあう位置は、各超音波素子３１から出力される超音波の出力タイミングによって決定される。図３は、一面２０ａの上方の触覚提供位置Ａにおいて特に超音波が強めあうように、超音波素子３１の超音波の出力タイミングが制御部４０によって調整されている状態を示している。
【００１３】
基板２０は、絶縁性を有するものであり、本実施形態では平板形状となっている。基板２０の一面２０ａに超音波素子３１が形成されており、超音波は一面２０ａから離れる方向に発振される。本実施形態では図１に示すように触覚部１０は後述する第２開口部７２よりも鉛直上方に位置し、反射部９０は第２開口部７２よりも鉛直下方に位置している。したがって図１において破線で示すように、触覚部１０から出力された超音波は反射部９０へと向かって出力され、その超音波が反射部９０によって反射され、ディスプレイ５０によって表示された画像の表示領域に出力される。
【００１４】
超音波素子３１は、圧電素子３２、および、所定の周波数に設定された共振器３３（音響整合層）から成る。圧電素子３２に後述する位相制御信号のパルスが断続的に入力されることで圧電素子３２が振動し、共振器３３から超音波が発せられる。図１に示すように複数の超音波素子３１は、一面２０ａ上にアレイ状に配置されている。この一面２０ａに形成された全ての超音波素子３１によって超音波素子群３０が構成されている。１つの触覚提供位置（例えば、図２および図３に示す触覚提供位置Ａ）に形成される集中点は、超音波素子群３０を構成する全ての超音波素子３１によって形成される。本実施形態では複数の超音波素子３１から出力される超音波の強度が同一になっている。
【００１５】
超音波素子３１は、図４に示す生体（人間）の皮膚にある触覚受容器２００を刺激する刺激超音波を発振する。人間の皮膚は表層から内側に向かって、表皮、真皮、皮下組織がある。触覚受容器２００として、真皮に位置するメルケル細胞２０１とマイスナー小体２０２、および、皮下組織に位置するパチニ小体２０３がある。図５に実線、破線、一点鎖線で示すように、これら受容器３０１〜３０３それぞれは、超音波の周波数に応じて反応する量が異なる。図５に一点鎖線で示すようにメルケル細胞２０１は、どのような周波数でもほぼ一定の反応を示す。しかしながら図５に破線で示すように、マイスナー小体２０２はおよそ５０Ｈｚで最も大きく反応する。そして図５に実線で示すように、パチニ小体２０３はおよそ１００Ｈｚで最も大きく反応する。本実施形態では刺激超音波の周波数として、１００Ｈｚと２００Ｈｚを採用しており、主としてパチニ小体２０３を刺激することで生体に触覚を提供する。
【００１６】
制御部４０は、上記した刺激超音波を複数の超音波素子３１それぞれから発生させるものである。制御部４０は、複数の超音波素子３１それぞれの発振タイミングが決定された位相制御信号を複数の超音波素子３１それぞれに出力する。位相制御信号はパルス信号であり、複数の超音波素子３１それぞれに入力されるパルス信号の立ち上がりエッジは、触覚提供位置に応じて決定される。これら立ち上がりエッジの調整されたパルス信号を各超音波素子３１に入力することで、触覚提供位置に複数の超音波素子３１から発せられる超音波の位相が高めあう集中点を形成する。これにより触覚提供位置に生体が位置した時に受容器３０１〜３０３が刺激され、生体に触覚が提供される。
【００１７】
図１に示すようにディスプレイ５０は内部空間の外に位置しており、内部空間の外の中空に画像を表示する。図示しないが表示領域におけるユーザーの指の有無を判定する静電センサがディスプレイに埋め込まれている。例えばディスプレイ５０が画像としてスイッチを表示し、ユーザーがこのスイッチを触った場合、静電センサによってユーザーがスイッチを押したことが検知される。このようにスイッチの押圧が検知されるとディスプレイ５０では表示していた画像を切り換え、新たな画像を表示する。
【００１８】
判定部６０は上記した静電センサの検出信号に基づいて表示領域にユーザーの指が位置するか否かを判定し、その判定信号を触覚部１０へ出力する。触覚部１０は判定部６０の判定信号に応じて刺激超音波を発生する。すなわち触覚部１０は表示領域にユーザーの指が位置する旨の含まれた判定信号を受信した場合、画像に応じた刺激超音波を発生する。こうすることで画像に応じた触感をユーザーに与える。これとは反対に触覚部１０は表示領域にユーザーの指が位置しない旨の含まれた判定信号を受信した場合、刺激超音波を発生しない。より具体的に言えば、表示領域にユーザーの指が位置する旨の含まれた判定信号を受信した場合、触覚部１０の制御部４０は、画像に応じた触覚提供位置に集中点が形成されるように位相制御信号を複数の超音波素子３１に出力する。これとは反対に表示領域にユーザーの指が位置しない旨の含まれた判定信号を受信した場合、制御部４０は位相制御信号を超音波素子３１に出力せず、刺激超音波を発生させない。
【００１９】
収納部７０は車両に設けられたエアコンコンダクトの一部である。収納部７０には送風部８０から送られてくる風を内部空間に出力（導入）する第１開口部７１と、刺激超音波と流動する空気（以下、単に風と示す）をともに出力する第２開口部７２と、が形成されている。第１開口部７１と第２開口部７２とは図１に示すようにｘ方向に沿って並んでおり、第１開口部７１から出力された風はｘ方向に沿って流動し、第２開口部７２を介して外部へと出力される。
【００２０】
送風部８０は車両に設けられたエアコンである。図１に示すように送風部８０はｘ方向に沿う風を第１開口部７１を介して内部空間内に流入させ、第２開口部７２へと送風する機能を果たす。このように内部空間から第２開口部７２へと送風することで、第２開口部７２を介して内部空間内へとゴミなどの異物が入り込むことが抑制される。
【００２１】
反射部９０は内部空間を構成する収納部７０の内壁面よりも表面粗さが滑らかになっており、触覚部１０から出力された刺激超音波を上記した内壁面よりも効率よく反射できるものである。図１に示すように反射部９０は触覚部１０よりも第２開口部７２側に位置しており、触覚部１０から出力された刺激超音波を鉛直上方側に反射する。こうすることでディスプレイ５０によって表示された画像に集中点を形成する。
【００２２】
次に、刺激超音波が超音波素子３１から触覚提供位置へと進む軌跡（以下、超音波軌跡と示す）と、送風部８０によって内部空間からその外へと流動される空気の軌跡（以下、流動軌跡と示す）との交差を説明する。図１に示すように超音波素子３１から反射部９０へと刺激超音波が到達する間に超音波軌跡と流動軌跡とが１度交差する。そして反射部９０から触覚提供位置へと刺激超音波が到達する間に超音波軌跡と流動軌跡とが１度交差する。以上示したように本実施形態では、刺激超音波が超音波素子３１から触覚提供位置へと進む間に、超音波軌跡と流動軌跡とが２度交差する。
【００２３】
超音波は空気が振動することで空間内を伝達する。したがって超音波が振動する空気に流動があると、超音波の軌跡が空気の流動のためにシフトする。そのため上記したように超音波軌跡と流動軌跡とが交差すると、触覚提供位置がシフトしてしまう。そこで制御部４０は、送風部８０の送風による触覚提供位置の変位がキャンセルされるように、位相制御信号の発振タイミングを調整する。上記したように本実施形態では、刺激超音波が超音波素子３１から触覚提供位置へと進む間に超音波軌跡と流動軌跡とが２度交差する。この交差によって刺激超音波は第２開口部７２側へと変位され、触覚提供位置もユーザー側へと変位される。この変位量は上記した軌跡の交差回数、流動軌跡、交差時間、および、流動する空気の流速によって決定される。軌跡の交差回数、流動軌跡、および、交差時間は既知の値であり、これらの値を制御部４０は記憶している。そして制御部４０は送風部８０と電気的に接続されており、送風部８０から空気の流速情報が制御部４０に入力される。制御部４０は記憶していた交差回数、流動軌跡、交差時間、および、入力される空気の流速それぞれに基づいて触覚提供位置の変位量を算出し、その変位量がキャンセルされるように、位相制御信号の発振タイミングを調整する。
【００２４】
上記したように送風部８０はｘ方向に沿う風を第１開口部７１から第２開口部７２へと送風する。したがって超音波軌跡と流動軌跡とが交差する際、超音波軌跡は空気の流動のためにｘ方向に沿って第２開口部７２側へとシフトする。制御部４０はこの超音波軌跡のｘ方向へのシフトを算出し、そのシフト量がキャンセルされるように位相制御信号の変位量を算出する。
【００２５】
次に本実施形態に係る触覚部１０の作用効果を説明する。上記したように触覚部１０が収納部７０の内部空間に収納され、収納部７０には送風部８０から送られてくる風を内部空間に出力（導入）する第１開口部７１が形成されている。これによれば内部空間へごみなどの異物が入り込むことが抑制され、異物が触覚部１０に付着することが抑制される。さらに言えば触覚部１０をユーザーが視認することが抑制される。
【００２６】
収納部７０には刺激超音波と風をともに出力する第２開口部７２が形成されている。これによれば刺激超音波を内部空間の外へと出力するための開口部と、風を内部空間の外へと排気するための開口部それぞれが収納部７０に形成された構成と比べて、収納部７０の形状が簡素化される。
【００２７】
触覚機構１００は、触覚部１０から出力された超音波を反射して画像の表示領域に出力する反射部９０を有する。これによれば内部空間内における触覚部１０の配置の自由度が向上される。
【００２８】
触覚部１０は第２開口部７２よりも鉛直上方に位置し、反射部９０は第２開口部７２よりも鉛直下方に位置している。これによれば触覚部が開口部よりも鉛直下方に位置する構成と比べて、異物が触覚部１０に付着することが抑制される。
【００２９】
上記したように超音波軌跡と流動軌跡とが交差する。そこで制御部４０は、送風部８０の送風による触覚提供位置の変位がキャンセルされるように、位相制御信号の発振タイミングを調整する。これによれば空気の流動のために触覚提供位置が変位することが抑制される。
【００３０】
触覚部１０は表示領域にユーザーが位置する旨の含まれた判定信号を受信した場合、画像に応じた刺激超音波を発生して触感をユーザーに与え、表示領域にユーザーが位置しない旨の含まれた判定信号を受信した場合、刺激超音波を発生しない。これによれば画像が表示されている間、常時刺激超音波が出力される構成と比べて、刺激超音波の出力とともに発生される可聴域の音響ノイズをユーザーが聴覚することが抑制される。
【００３１】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【００３２】
本実施形態ではディスプレイに埋め込まれた静電センサによって表示領域におけるユーザーの指などの有無を判定する例を示した。しかしながら表示領域にユーザーの指が位置するか否かを判定する素子としては上記例に限定されず、例えばカメラを採用することもできる。
【００３３】
本実施形態では触覚部１０は表示領域にユーザーの指が位置する旨の含まれた判定信号を受信した場合に刺激超音波を発生する例を示した。しかしながら触覚部１０はディスプレイ５０によって中空に画像が表示された際、その表示領域にユーザーの指が位置するか否かに依らずに刺激超音波を発生してもよい。
【００３４】
本実施形態では超音波素子３１が、圧電素子３２、および、共振器３３から成る例を示した。しかしながら超音波素子３１としては上記例に限定されず、超音波を発振できるものであれば適宜採用することができる。
【００３５】
本実施形態では複数の超音波素子３１がアレイ状に配置された例を示した。しかしながら複数の超音波素子３１の配置としては上記例に限定されない。図示しないが、例えば複数の超音波素子３１が同心円状に配置された構成を採用することができる。
【００３６】
本実施形態では一面２０ａに形成された全ての超音波素子３１によって超音波素子群３０が構成された例を示した。しかしながら一面２０ａに形成された一部の超音波素子３１によって超音波素子群３０が形成された構成を採用することもできる。若しくは複数の基板２０を用意し、各基板２０に１つの超音波素子群３０が形成された構成を採用することもできる。この場合、複数の超音波素子群３０の触覚提供位置それぞれは異なる。
【００３７】
本実施形態では複数の超音波素子３１から出力される超音波の強度が同一になっている例を示した。しかしながら、複数の超音波素子３１から出力される超音波の強度は異なっていても良い。
【００３８】
本実施形態では超音波素子３１から出力される刺激超音波の周波数が、１００Ｈｚ，２００Ｈｚである例を示した。しかしながら刺激超音波の周波数としては上記例に限定されない。例えばマイスナー小体２０２を刺激するべく、５０Ｈｚや７５Ｈｚを採用することもできる。
【００３９】
本実施形態では触覚機構１００が送風部８０を有する例を示した。しかしながら収納部７０に送風部８０から送られてくる風を内部空間に出力（導入）する第１開口部７１が形成されていればよく、触覚機構１００は送風部８０を構成要素として有していなくともよい。
【００４０】
本実施形態では触覚機構１００が反射部９０を有する例を示した。しかしながら図６に示すように触覚機構１００は反射部９０を有さなくともよい。図６では触覚部１０が第２開口部７２よりも鉛直下方に位置しており、触覚部１０、第２開口部７２、および、触覚提供位置が順に１方向（一面２０ａに直交する方向）に沿って並んでいる。そして激超音波が超音波素子３１から触覚提供位置へと進む間に、超音波軌跡と流動軌跡とが１度交差する。この変形例において制御部４０は交差回数１を記憶している。
【００４１】
本実施形態では収納部７０に形成された第１開口部７１と第２開口部７２とがｘ方向に沿って並び、第１開口部７１から出力された風がｘ方向に沿って流動し、第２開口部７２を介して外部へと出力される例を示した。しかしながら第１開口部７１と第２開口部７２の位置関係としては上記例に限定されない。例えば第１開口部７１から出力された風が収納部７０の内壁面に吹き付けられ、それによって内壁面に沿って風が流動し、触覚部１０の表面を風が通る構成と採用することもできる。これによれば触覚部１０に付着した異物を除去することができる。
【００４２】
また図示しないが、第１開口部７１から出力される風の流動方向を触覚部１０の駆動に応じて変化させる方向調整部を第１開口部７１に設けてもよい。この方向調整部は触覚部１０から刺激超音波が出力されている間、第１開口部７１から第２開口部７２へと風を流動させる。また方向調整部は、触覚部１０から刺激超音波が出力されていない間、第１開口部７１から第２開口部７２へと風を流動させるとともに、触覚部１０の表面を風が通るように内部空間内の空気を流動させる。これによれば触覚部１０に付着した異物を除去する風のために、刺激超音波がシフトすることが抑制される。
【００４３】
本実施形態では制御部４０が送風部８０の送風による触覚提供位置の変位がキャンセルされるように、位相制御信号の発振タイミングを調整する例を示した。しかしながら、刺激超音波が超音波素子３１から触覚提供位置へと進む間に超音波軌跡と流動軌跡とが交差しない場合、制御部４０は送風部８０の送風による触覚提供位置の変位がキャンセルさせるように、位相制御信号の発振タイミングを調整しなくともよい。
【符号の説明】
【００４４】
１０…触覚部
７０…収納部
７１…第１開口部
８０…送風部
１００…触覚機構
２００…触覚受容器
【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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