(57)【要約】      （修正有）【課題】装着型（軽量、装着して提示可能）として活用でき、電気刺激や振動刺激による擬似触覚の提示精度を向上させる触覚提示装置を提供する。【解決手段】駆動装置としては，カンチレバー型の圧電機構を用いる。指などの非常に高密度に刺激を生成する場合は、ＭＥＭＳ技術を活用して、高精度に作成する。細い長方形を連結した駆動装置の形状では、組み合わせることにより、密度高く、触覚生成部を配置する。駆動装置の形状連結方法は、圧電素子の長手方向の丸まりと幅方向の丸まりの両効果を変形にプラスに活かす。触覚生成部を保護し、皮膚の３次元形状に対応するために、触覚生成ピンを使用し、軽量・高剛性のカーボンファイバー複合材を用いる。樹脂やシリコンゴムで作成したインターフェイス部を設け、触覚生成部を保持し、人間の皮膚に密着して違和感なく触覚を提示できるようする。大きさは、装着型として活用するために、最小限の大きさにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
指に触覚を提示させるための，インターフェイス部、触覚提示ピン、触覚生成ＭＥＭＳ機構から構成され，指もしくは触覚提示部にフィットして、人間の刺激分別能と同じくらいの密度で、独立に触覚を発生させ、必要な部分に種々の触覚刺激を伝達するものである。この駆動装置としては，カンチレバー型の圧電機構を用いる。指などの非常に高密度に刺激を生成する場合は、ＭＥＭＳ技術を活用して、高精度に作成する。細い長方形を連結した駆動装置の形状では、組み合わせることにより、密度高く、触覚生成部を配置することが可能である。駆動装置の形状連結方法は、圧電素子の長手方向の丸まりと幅方向の丸まりの両効果を、変形にプラスに活かすことを特徴とする。触覚生成部を保護し、皮膚の３次元形状に対応するために、触覚生成ピンを使用する。これは、軽量・高剛性のカーボンファイバー複合材を用いる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は，人間に触覚を用いて，高速に情報を与える機器に関し、装着可能な装置である。
【背景技術】
【０００２】皮膚に刺激を与え、触覚を提示する方法は、様々な方式が開発されている。
１）配列ピンを上下させる方式は、ピストン・クランクや送りねじを使用しており、大型、重量が重い：河村亮，矢野博明，岩田洋夫：弾性分布を呈示する面型ハプティックインターフェース，日本バーチャルリアリティ学会論文誌，Ｖｏｌ。７，Ｎｏ。３，ｐｐ。３０１−３１２，２００２、高密度弾性分布呈示装置（筑波大、岩田ら）
２）電磁型のピンアクチュエータ方式は、振動提示には適するが、一定の力の提示は難しい：福田、マイクロ振動子を用いた触覚ディスプレイ、日本機械学会論文集（Ｃ），６４，６２１，１９９８
３）高分子ゲルアクチュエータを用いる方式は、力を制御するよりも、振動を与える方式である。昆陽、ＩＣＰＦアクチュエータを用いたヒト指腹部への分布振動刺激に基づく把持力調整反射の誘発，ＴＶＲＳＪ，Ｖｏｌ。１１，Ｎｏ。１，２００６
４）弾性表面波を用いたディスプレイは、振動を用いて、進行方法などの提示は可能であるが、精度の高いテクスチャの表現は難しい：奈良、弾性波動を用いた皮膚感覚ディスプレイ，ＴＶＲＳＪ，Ｖｏｌ。３，Ｎｏ。３，１９９８
５）音響放射圧を使う方式もあるが、分布的な振動提示のため、高精度情報提示には適さない：岩本、超音波アレイによる放射圧触覚ディスプレイ、ロボティクス・メカトロニクス講演会，２００４
６）薄型静電アクチュエータを用いたものは、正弦波状の表面突起は生成可能であるが、高精度情報提示には適さない：山本，高崎，樋口：「薄型静電アクチュエータを用いた触感インタフェース」，ＳＩＣＥ  ＳＩ２０００講演論文集，ｐｐ。５９−６０（２０００）
７）圧電方式を活用しているが、高密度化は検討していない。また、振動方式である：元木、パラレル配置した圧電バイモルフの共振を利用した触覚インターフェイスの開発、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ。２８，２００７
８）本発明に近いが、本研究のように、多段階で変形を増幅することは検討されていない。また、皮膚の３次元表面への対応が検討されてなく、装着型としての検討もされていない：特願２０１１−５０２９９８マルチポイント触覚フィードバックテクスチャーシステムを提供するために方法および装置
９）本提案とは異なる圧電駆動方式であり、小型化は難しく、また、応用例から、触覚提示方法も異なる：特願２０１０−７４５８０，圧電駆動装置およびこれを備えた触覚提示デバイス用振動駆動装置
１０）電歪材料を用いて、表面全体に歪みを生成するため、詳細形状の提示には適さない：特開２０１３−１８２３７４，感覚提示装置
１１）ピンをロック機構で保持する方式であり、動的な提示にはむかない。特願２０１１−７１６８触覚提示装置
１２）超音波により、触覚を生成するが、マトリクスにより、音圧集中点を生成するため、同時に多数点の触覚提示は難しい：特願２０１０−１８８４１６、触覚提示装置
１３）圧電バイモルフ型をアクチュエータとして使用しているが、指の局所的な刺激提示の検討や刺激力を増強する方法は検討されていない：特願２００４−２２７０５３，圧電複合装置、その製造方法、その取り扱い方法、その制御方法、入力装置および電子機器
１４）空気の負圧により触覚を提示する方法であり、感覚が限られ、配管も大型化する：特開２００５−４３３８５、触覚ディスプレイおよび触覚提示方法
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特願２０１１−５０２９９８マルチポイント触覚フィードバックテクスチャーシステムを提供するために方法および装置特願２０１０−７４５８０，圧電駆動装置およびこれを備えた触覚提示デバイス用振動駆動装置特開２０１３−１８２３７４，感覚提示装置特願２０１１−７１６８触覚提示装置特願２０１０−１８８４１６、触覚提示装置特願２００４−２２７０５３，圧電複合装置、その製造方法、その取り扱い方法、その制御方法、入力装置および電子機器特開２００５−４３３８５、触覚ディスプレイおよび触覚提示方法
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】河村亮，矢野博明，岩田洋夫：弾性分布を呈示する面型ハプティックインターフェース，日本バーチャルリアリティ学会論文誌，Ｖｏｌ．７，Ｎｏ．３，ｐｐ．３０１−３１２，２００２ＣｙｂｅｒＧｒａｓｐ  ｃａｔａｌｏｇ，Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ  Ｃｏｒｐ．福田、マイクロ振動子を用いた触覚ディスプレイ、日本機械学会論文集（Ｃ），６４，６２１，１９９８昆陽、ＩＣＰＦアクチュエータを用いたヒト指腹部への分布振動刺激に基づく把持力調整反射の誘発，ＴＶＲＳＪ，Ｖｏｌ．１１，Ｎｏ．１，２００６奈良、弾性波動を用いた皮膚感覚ディスプレイ，ＴＶＲＳＪ，Ｖｏｌ．３，Ｎｏ．３，１９９８岩本、超音波アレイによる放射圧触覚ディスプレイ、ロボティクス・メカトロニクス講演会，２００４山本，高崎，樋口：「薄型静電アクチュエータを用いた触感インタフェース」，ＳＩＣＥ  ＳＩ２０００講演論文集，ｐｐ．５９−６０（２０００）元木、パラレル配置した圧電バイモルフの共振を利用した触覚インターフェイスの開発、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ，２８，２００７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】以上，述べた従来の触覚提示装置において，人間の皮膚で数百μｍ内部の感覚受容器を刺激し、触覚の違いが正確に認識させるためには、比較的大きな変形力が必要であり、そのために、背後にクランク機構や空気圧などを用いたものが開発されており、装着型（軽量、装着して提示可能）には活用できなかった。さらに、電気刺激や振動刺激により、擬似触覚を提示するものも多く研究されているが、提示精度に問題があった。
本発明は，従来の力覚提示機器が有していた問題を解決しようとするものであり，ＭＥＭＳ技術、圧電技術を用いて、小型かつ十分な刺激強さを与えることができる触覚提示デバイスの開発を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】本発明は上記目的を達成するために，指に触覚を提示させるための，インターフェイス部（１）、触覚提示ピン（２）、触覚生成ＭＥＭＳ機構（３，３−１）から構成され（図１参照），指もしくは触覚提示部にフィットして、人間の刺激分別能と同じくらいの密度で、独立に触覚を発生させ、必要な部分に種々の触覚刺激を伝達するものである。【０００７】この駆動装置としては，カンチレバー型の圧電機構を用いる。指などの非常に高密度に刺激を生成する場合は、ＭＥＭＳ技術を活用して、高精度に作成する。（図２参照）【０００８】このような、細い長方形を連結した駆動装置（３−２，３−３，３−４）の形状では、組み合わせることにより、密度高く、触覚生成部を配置することが可能である。駆動装置の形状連結方法は、圧電素子の長手方向の丸まりと幅方向の丸まりの両効果を変形にプラスに活かすことを特徴とする。【０００９】触覚は、触覚提示ピン（２）を使って生成する。これは、軽量・高剛性のカーボンファイバー複合材を用いる。（図３）場合によっては、アルミやチタンなどの軽量素材を用いる。【００１０】さらに，ＭＥＭＳデバイス（３）を保護し、皮膚の３次元形状に対応するために、樹脂やシリコンゴムで作成したインターフェイス部（１）を設け、触覚生成部を保持し、人間の皮膚に密着して違和感なく触覚を提示できるようにしている。これの大きさは、装着型として活用するために、最小限の大きさにしている。【００１１】上記の触覚提示機構を駆動するための，シーン制御，衝突判定，物理シミュレーション触覚計算部、触覚部コントローラ（Ａ／Ｄコンバータ、ドライバーアンプ）から構成される制御システム。
【発明の効果】
【００１２】上述したように，各触覚生成点に対して、独立に触覚を提示できる。【００１３】触覚生成点に、圧覚や振動を独立に提示できる。【００１４】手や腕などの身体が動く範囲の自由な位置で，各部に触覚を提示することができる。【００１５】圧覚と振動を用いて，現実に近い触覚を提示することができる。【００１６】人間の刺激の２点判別能力の限界程度の距離で触覚が提示できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】触覚提示装置
【図２】触覚生成機構
【図３】触覚ピンの構成
【図４】触覚提示装置を制御する制御システム
【図５】センサーとしての活用構成
【発明を実施するための形態】
【００１８】指触覚提示装置をＭＥＭＳ技術を用いて、指の腹部に密着するように、かつ最小形状で実現した。
【実施例】
【００１９】図１は指触覚提示装置を示す。１は皮膚に接触するインターフェイス部であり、シリコンゴム、ＡＢＳ，ポリカーボネイト、などの樹脂で作成する。【００２０】２は触覚提示ピンであり、皮膚に直接もしくは、ゴム膜を介して、触覚を提示する。これは、カーボンファイバー強化樹脂（ＣＦＲＰ）、アルミ、チタンなどの軽量素材で作成する。ここに、ストッパを設けることにより、アクチュエータに過大な力が加わり、破壊することを防ぐ。【００２１】３は触覚を生成するＭＥＭＳデバイス部である。Ｓｉ基板をベースとして、それにＰＺＴなどの圧電膜を形成して、アクチュエータを作成する。【００２２】図２の３−１は、カンチレバー型のアクチュエータである。コンパクトさと長さを伸ばすため、長方形のカンチレバーを９０度回転させながら、長方形が、連結された構造と特徴とする。図では、４個の長方形が連結されている。これは、３−２のＳｉ基板上に１層から数層の圧電膜（電極も含む）を形成して、カンチレバーを形成する。図２に示すように、効果１は、アクチュエータ１の変形が、アクチュエータの３の初期角度に加算され、変位が増大する。また、効果２は、アクチュエータ１の長さ方向の変位に加え、幅方向の丸まりが、アクチュエータ２の初期角度を増加させ、変位を大きくすることに寄与する。この構造を複数、組み合わせると、最終変位がさらに増大する仕組みである。組み合わせを工夫することにより、アクチュエータの高密度配置が可能となる。【００２３】図２の圧電層は、１層もしくは、１０層程度まで、電極層と交互に積層して形成する。電極層には、外部から信号電圧とＧＮＤを接続する。【００２４】図３は、触覚提示ピンの構造を示し、アクチュエータ部には、段差を設け、指からの圧力で、アクチュエータを壊さないような構造を取る。【００２５】触覚提示ピンの先端は、５０−５００μｍ球面形状、先端径が５０−５００μｍの円錐台形状、円柱形状を用いる。【００２６】ＭＥＭＳデバイスと触覚提示ピンは、図３のように、多段に構成することができる。【００２７】触覚の提示部は、指先、手のひら、腕などの人間の皮膚に装着する。皮膚の毛乗により、インターフェイス部を変更する。【００２８】図４は触覚提示装置を制御する制御システムである。コンピュータグラフィックスを活用して，仮想３次元指モデルや把持する物体の３次元モデルを管理するシーン管理部，仮想３次元指モデルや把持する物体の干渉状態を計算する干渉判定部，把持物体の重量や拘束などの静的条件や動的な特性を計算する物理シミュレーション部から構成される。そして、触覚を提示する必要がある場合は、触覚計算部で、各触覚提示ピンで提示する力や周波数を計算し、触覚コントローラにより、実デバイスを制御する構造となる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】図５に示すように、本触覚提示デバイスは、センサー（５−３）としても活用できる。これは、ロボットに手などに装着し、物体を把持した時、接触した時などの、力を計測できる。
【符号の説明】
【００３０】１：インターフェイス部
２：触覚提示ピン
３：ＭＥＭＳデバイス
３−１：アクチュエータ
３−２：Ｓｉ基板
３−３：圧電膜
３−４：触覚提示部
４：ドライバー
５−１：インターフェイス部
５−２：ＭＥＭＳデバイス
５−３：センサー
５−４：触覚感知ピン
５−５：ロックインアンプ
５−６：Ａ／Ｄ変換器
５−７：パーソナルコンピュータ
【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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