JP2019003470A - Haptic hot-cold device and manufacturing method of haptic hot-cold device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気信号とともに温度情報をも伝達可能な触覚温冷デバイス及び触覚温冷デバイスの製造方法に関する。 The present invention relates to a tactile thermo-cooling device capable of transmitting temperature information together with an electric signal, and a method for manufacturing the tactile thermo-cooling device.
現在、遠隔操作や仮想空間の分野において操作者が接触した(以下、「バーチャルな接触」と記す)物体の感触を現実の操作者に伝えることがなされている。バーチャルに接触したことの感触は、現実世界で物体に接触したときの感触に近いほど好ましく、遠隔操作やバーチャル空間のリアリティを高めることができる。また、現実世界の感触は、操作者の手指に電気的な刺激を与えることによって実現できる。このような技術は、例えば、特許文献1に記載されている。
At present, in the field of remote control and virtual space, the touch of an object touched by an operator (hereinafter referred to as “virtual contact”) is transmitted to a real operator. The feeling of being in contact with a virtual object is preferably as close as possible to the feeling in contact with an object in the real world, and the reality of remote operation and virtual space can be enhanced. In addition, the real world feel can be realized by applying electrical stimulation to the operator's fingers. Such a technique is described in
しかしながら、現実世界で物体に接触した場合、手指には物体の感触とともに温度をも伝わってくる。このため、バーチャルな接触に関する情報を操作者によりリアリティを持って伝えるには、触覚を伝える電気刺激と共に温度を操作者に伝えることが効果的である。
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、電気信号と共に温度を伝えることができる触覚温冷デバイス、及びこのような触覚温冷デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
However, when touching an object in the real world, the temperature is transmitted to the fingers as well as the touch of the object. For this reason, in order to convey information related to virtual contact more realistically to the operator, it is effective to convey the temperature to the operator together with the electrical stimulus that conveys the sense of touch.
The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide a tactile thermo-cooling device capable of transmitting temperature together with an electric signal, and a method for manufacturing such a tactile thermo-cooling device. .
本発明の触覚温冷デバイスは、可撓性を有する基板本体と、前記基板本体の一方の主面である第1面に形成される配線と、前記第1面の裏面である第2面に形成される電極と、前記基板本体に形成されたビアホールに充填され、前記配線と前記電極とを電気的かつ温度的に接続する接続部材と、前記第2面の前記電極が形成されている形成領域の少なくとも一部と重なって、前記第1面の側に配置される加熱または冷却の機能を有する温調部材と、を有することを特徴とする。
なお、「主面」とは、薄板状あるいは薄膜状の部材の面のうち他の面よりもはるかに面積の大きい面をいう。なお、部材が薄板状あるいは薄膜状である以上、この主面に対向するもう一つの面積の大きい面が必然的に存在し、この対向する二つの主面の一方を本実施形態では第1面、他の主面を第2面とする。
The tactile temperature cooling device according to the present invention includes a flexible substrate body, wiring formed on a first surface that is one main surface of the substrate body, and a second surface that is a back surface of the first surface. A formation in which an electrode to be formed, a connection member that fills a via hole formed in the substrate body, and electrically and thermally connects the wiring and the electrode, and the electrode on the second surface are formed And a temperature control member that overlaps at least a part of the region and is disposed on the first surface side and has a heating or cooling function.
The “main surface” refers to a surface having a much larger area than other surfaces of the thin plate or thin film member. In addition, as long as the member is in the form of a thin plate or a thin film, there is necessarily another large-area surface facing the main surface, and one of the two main surfaces facing each other is the first surface in this embodiment. The other main surface is the second surface.
本発明の触覚温冷デバイスの製造方法は、可撓性を有する基板本体の第1の主面に第1金属層が形成され、前記第1の主面に対する裏面に第2金属層が形成された基板に対してビアホールを形成する工程と、前記ビアホールに金属部材を充填し、前記第1金属層及び前記第2金属層を電気的かつ温度的に接続する工程と、前記ビアホールに充填された金属部材と接するように、加熱機能または冷却機能を有する温調部材を配置する工程と、を含むことを特徴とする。 In the method for manufacturing a tactile thermal cooling device according to the present invention, the first metal layer is formed on the first main surface of the flexible substrate body, and the second metal layer is formed on the back surface with respect to the first main surface. Forming a via hole in the substrate, filling the via hole with a metal member, electrically and thermally connecting the first metal layer and the second metal layer, and filling the via hole. And a step of arranging a temperature adjusting member having a heating function or a cooling function so as to be in contact with the metal member.
本発明は、電気信号と共に温度を伝えることができる触覚温冷デバイス及び触覚温冷デバイスの製造方法を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can provide a haptic heating / cooling device capable of transmitting temperature together with an electrical signal and a method for manufacturing the haptic heating / cooling device.
以下、本発明の第1実施形態及び第2実施形態を図面に基づいて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同様の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。 Hereinafter, a first embodiment and a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same constituent elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted as appropriate.
第1実施形態及び第2実施形態は、操作者がバーチャル空間においてバーチャルに接触した物品の触感に係る情報を入力する感触情報入力装置1の一部品として触覚温冷デバイスを使用した例を使って説明を行うものとする。第1実施形態では、例えばロボットに圧力センサを取り付けて、このロボットが物体に接触する。また、ロボットが接触した物体の状態をカメラで撮影する。ロボットが物体に接触したときに圧力センサから出力されたセンサ信号は、カメラから出力される撮像データと共に操作者にリアルタイムで提供される。撮像データは、別途用意された機器により操作者に視覚情報として提供される。視覚情報は、操作者に対して動画として表示される。センサ信号は、視覚情報と同期して操作者に提供され、操作者に疑似的な触感を与える。操作者は、ロボットが物体に触っている動画を見ながら圧力センサが感知した圧力による疑似的な触感を感じるので、物体へのバーチャルな接触を、リアリティを持って感じることができる。
In the first embodiment and the second embodiment, an example in which a tactile heating / cooling device is used as one part of the tactile
第1実施形態
[全体構成]
図1は、本発明の第1実施形態の触覚温冷デバイス100を含む感触情報入力装置1の全体的な構成を説明するための図である。感触情報入力装置1は、触覚温冷デバイス100と、制御デバイス200と、を含んでいる。制御デバイス200は、コントローラ80と、触覚温冷デバイス100と接続する制御側コネクタ60と、コントローラ80と制御側コネクタ60とを接続する配線70と、を有している。また、図1に示した感触情報入力装置1では、一つの制御デバイス200に2つの触覚温冷デバイス100が接続されるため、制御側コネクタ60を2つ備えている。ただし、触覚温冷デバイス100及び制御側コネクタ60は、2つでなく、3つ以上備える構成であってもよい。
コントローラ80には、圧力センサのセンサ信号が入力される。このセンサ信号は、例えば、後述するように、ロボット等に取り付けられた圧力センサから出力された信号である。コントローラ80は、センサ信号の強弱や分布及び周波数等に応じた電気信号を生成する。電気信号は、配線70から制御側コネクタ60を介して触覚温冷デバイス100の側に入力される。このため、触覚温冷デバイス100には、制御側コネクタ60と接続される出力側コネクタ50が設けられている。また、触覚温冷デバイス100は、出力部90を備えている。出力部90は、配線20上に配置され、配線20と電気的に接続している。
First Embodiment [Overall Configuration]
FIG. 1 is a diagram for explaining an overall configuration of a tactile
The
出力部90の電極からは、コントローラ80が生成した電気信号(感触信号)が出力される。このため、出力部90が操作者の指先に接するようにして触覚温冷デバイス100を配置すると、操作者の指先に感触信号による刺激を加え、操作者に物体に接触したような感触を与えることができる。さらに、後述するように、操作者に動画を提供すると、動画中の物体に実際に触っているような感覚を操作者に与えることができる。
操作者の指先に感触信号を与えるためには、例えば、図2に示すグローブ2に触覚温冷デバイス100を含む感触情報入力装置1を内装することが考えられる。操作者がグローブ2を手Hに装着すれば、操作者の手指の動きを妨げることなく出力部90を指先に当てて固定することができる。
An electrical signal (feeling signal) generated by the
In order to give a touch signal to the fingertip of the operator, for example, it is conceivable that the touch
また、第1実施形態では、出力部90が基板本体となる絶縁フィルムを用いて構成されていて、配線20は出力部90の面内においてに湾曲した金属箔板である。絶縁フィルムに配線やカバー等を形成した構成を、フレキシブル基板(FPC(Flexible Printed Circuits))という。フレキシブル基板は、柔軟性があり、弱い力で繰り返し変形させることが可能であり、変形した場合にもその電気的特性を維持する特性をもつプリント基板である。配線20は、厚さが約0.001mm以上、0.035mm以下の平面状の金属薄膜をパターニングし、平面の面内で湾曲する形状に形成されている。このような構成により、感触情報入力装置1は、グローブ2の内部において出力部90及び配線20が手指に追従して柔軟に動き、触覚温冷デバイス100と制御デバイス200との接続が外れることがない。さらに、配線20が面内で湾曲することにより、配線20が3次元方向に張り出してグローブ2に内装され難くなることがない。
ただし、第1実施形態は、このような構成に限定されるものではない。配線20は、金属の薄板をパターニングした部材の限定されるものではなく、手指に柔軟に追従して制御デバイス200から触覚温冷デバイス100に電気信号を伝えるものであれば、どのようなものであってもよい。
In the first embodiment, the
However, the first embodiment is not limited to such a configuration. The
(出力部)
次に、図1に示した出力部90について説明する。
図3(a)、図3(b)は、図1に示した出力部90を拡大して示した図である。
図3(a)は、出力部90の図1に示した面(電極10側から見た面)を示していて、図3(b)は出力部90を配線の側の面(図5に示したペルチェ素子5を除いた状態)を示している。
出力部90は、複数の電極10を有する全体が矩形形状の配線基板である。図中の出力部90のX方向の長さは12mm、Y方向の長さは24mmである。電極10はマトリックス状に配置されていて、図3に示すX方向に4個、Y方向に7、または8個形成されている。各電極10は全て等しい形状及び大きさに設計されている。第1実施形態では、電極10の直径(以下、「径」と記す)R1を1.4mmとした。また、電極10間のX方向のピッチRx、Y方向のピッチRyは、いずれも2.0mmである。第1実施形態では、円形の電極10の中央に、単一のビアホール15を形成するものとした。電極10の上面視においてビアホール15は目視できないが、ここでは模式的にビアホール15を図示している。
(Output part)
Next, the
3A and 3B are enlarged views of the
3A shows the surface of the
The
図3(b)に示すように、電極10の裏面は、配線のランドパターン10'になっている。ランドパターン10'は、それぞれ配線22と接続されている。フレキシブル基板は、表面がソルダーレジスト等の絶縁部材がコーティングされている。そして、コンタクトやコネクタの箇所ではフレキシブル基板との導通が取れるようになっている。このため、複数の配線22は配線20の側に引き回されて配線20とコンタクトされている。
このような構成によれば、制御デバイス200は、2.0mmピッチで操作者の手指に任意の感触信号を加えることができる。
As shown in FIG. 3B, the back surface of the
According to such a configuration, the
なお、第1実施形態の触覚温冷デバイスは、上記の構成に限定されるものではない。例えば、第1実施形態の触覚温冷デバイスは、図4に示す出力部94のように、1つの電極10に対して任意の数のビアホール15を形成してもよい。また、電極10の周囲に形成されているGND電極40にもビアホール15を形成してもよい。このようにすることにより、第1実施形態は、温冷の情報の伝達速度を高めることが可能になる。
In addition, the tactile temperature cooling device of 1st Embodiment is not limited to said structure. For example, in the tactile thermal cooling device of the first embodiment, an arbitrary number of via
図5は、出力部90の図3に示した矢線A−Aに沿う模式的な断面図であって、特に1つの電極10の断面を示している。なお、第1実施形態でいう「模式図」とは、構成の説明のために各部材の縦横比、形状及びサイズ等を正確性よりも視認性を優先して示した図を指している。このため、模式図においては、各部材の縦横比等が必ずしも正確でない場合がある。
出力部90は、前記したように、可撓性を有する基板(フレキシブル基板)を構成する絶縁フィルム3を有している。絶縁フィルム3は、薄膜状の絶縁体(ベースフィルム)であり、第1実施形態ではポリイミド(polyimide)を材料とするものとした。また、第1実施形態では、絶縁フィルム3の一方の主面を面3a、面3aに対して裏面となる主面を面3bとする。面3aには金属箔11、面3bには金属箔12が形成されている。本明細書では、絶縁フィルム3、金属箔11及び金属箔12を基板6(図6(a))とする。第1実施形態においては、金属を銅(Cu)とし、基板6をフレキシブルな銅張積層板(CCL:Copper Clad Laminate)とした。
ただし、第1実施形態は、図6に示すように、基板6が一層の構成に限定されず、複数の基板で構成される多層基板であってもよい。多層基板の場合、主面とは、貼り合せ面ではなく、電極10や配線21が形成されている面を指す。なお、電極10や配線21が形成されている面は、保護層等によって被覆されていてもよい。また、第1実施形態は、絶縁フィルム3の材料をポリイミドに限定するものでなく、例えば、ポリエステル等の他の樹脂を材料とするものであってもよい。また、第1実施形態は、金属箔の金属を銅に限定するものではない。金属箔の材料は、電気伝導及び熱伝導の要求とコストの条件とを満たせば他の材料であってもよい。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the
As described above, the
However, in the first embodiment, as shown in FIG. 6, the
絶縁フィルム3の面3aには配線21が設けられている。面3bには電極10が形成されている。絶縁フィルム3に形成されたビアホール15に充填されるメッキ部材150は、配線21と電極とを電気的に接続する接続部材となる。
つまり、出力部90は、金属箔11及び絶縁フィルム3に形成されたビアホール15を有している。金属箔11、金属箔12の表面にはメッキ層13、メッキ層14がそれぞれ形成される。このとき、面3a側においてはメッキ層13の材料であるメッキ部材150がビアホール15を埋め込んでいる。また、同時にメッキ材料が金属箔11上にメッキ層13を形成し、金属箔11とメッキ層13とが二層になった配線21が形成される。このため、メッキ層13とメッキ部材150は同じ材料で一体的な構成になる。配線21には図1に示した配線20が接続される。このような構成の全体を配線20とも記す。
第1実施形態では、メッキ層の形成に銅メッキを用いている。金属箔11、金属箔12、メッキ層13及びメッキ層14の厚さを各々12μm以上、50μm以下とした。また、絶縁フィルム3を境にして面3a側の配線21の厚さh、面3b側の電極10の厚さuをそれぞれ25μmとした。さらに、ビアホール15の径r2は0.1mm、電極10のランドの径r1は前記したように1.4mmである。
A
That is, the
In the first embodiment, copper plating is used to form the plating layer. The thicknesses of the
第1実施形態は、ビアホール15にメッキ部材150の銅が充填されているため、例えば、ビアホール15の内壁面の金属が金属箔11やメッキ層13とコンタクトをとる構成よりも、ビアホール15における銅の横断面積を大きくすることができる。このため、第1実施形態は、金属箔11と金属箔12との間で、良好な電気的コンタクトを得ることができる。
なお、第1実施形態は、ビアホール15の充填材料を銅メッキに限定するものではない。充填材料は、電気的、熱的抵抗が十分小さくて、かつ製造コストの面で要求を満たすものであればどのような材料であってもよい。
In the first embodiment, since the via
In the first embodiment, the filling material of the via
さらに、第1実施形態の出力部90は、面3bの電極10が形成されている形成領域(図5においては径r1で示す範囲)の少なくとも一部と重なって、面3aの側に配置される加熱または冷却の機能を有する温調部材であるペルチェ素子5を有している。ペルチェ素子5は、ペルチェ効果を利用した板状の半導体素子であり、直流電流を流すと、一方の面が吸熱し、反対面に発熱が起こるという特性を有している。ペルチェ素子5の発熱及び吸熱は、電流の極性を逆転させると、その関係が反転する。ペルチェ素子5のこのような特性は、高精度で制御することができる。
ただし、第1実施形態は、温熱素子としてペルチェ素子5を使用する構成に限定されるものではない。他の温熱素子としては、例えば、ヒーターとして機能を有する導体パターンを設けることが考えられる。第1実施形態の温熱素子は、1つまたは複数の電極10の形成領域内を高い精度で加熱または冷却できるものであれば、どのようなものであってもよい。
上記構成により、第1実施形態は、配線21を介してペルチェ素子5の温度を電極10に伝えることができる。このため、出力部90を例えばグローブ2に内装して操作者の手指の先に当てておくと、ペルチェ素子5で発生した熱を操作者の手指に伝えることができる。
Furthermore, the
However, 1st Embodiment is not limited to the structure which uses the
With the above configuration, the first embodiment can transmit the temperature of the
ここで、図6(a)から図6(c)を用い、図5に示した出力部90の製造方法を説明する。第1実施形態では、先ず、図6(a)のように、金属箔11が形成された面3a、金属箔12が形成された面3bを有する絶縁フィルム3を用意する。第1実施形態の金属箔11及び金属箔12はいずれも銅製の金属層であるので、このような構成は所謂両面銅張板30となる。次に、図6(b)のように、金属箔11及び絶縁フィルム3を貫通するように穴明け加工をし、ビアホール15を形成する。穴明け加工によって金属箔12が露出する。このような加工は、レーザー照射によって比較的簡易に、かつ高精度に行われる。
次に、図6(c)のように、ビアホール15にメッキ部材150を充填し、金属箔11及び金属箔12を電気的かつ温度的に接続する。このような工程は、ビアフィル工程とも呼ばれていて、ウェット処理によって絶縁フィルム3の表裏を一度に処理するものである。このため、図6(c)に示した工程では、金属箔11の表面にメッキ層13が形成されると共に、金属箔12の表面にもメッキ層14が形成される。次に、金属箔11及びメッキ層13が積層された金属層に対し、第1実施形態では露光、エッチングを行って図3(b)に示したランドパターン10'を形成する。エッチングにより、金属層が配線になる。そして、図6(d)のように、ランドパターン10'と接するように、ペルチェ素子5を配置する。なお、メッキ処理前に金属箔12に剥離可能な被覆層を設け、メッキ処理後にその被覆層を剥離することによってメッキ層14の形成を省くこともできる。
Here, a manufacturing method of the
Next, as shown in FIG. 6C, the via
(動作)
ここで、第1実施形態の出力部90の動作を説明する。この説明では、出力部90を使って図示しないロボットが接触した物体の感触を操作者に伝えるときの例を挙げている。
第1実施形態では、ロボットが圧力センサ500を備えている。圧力センサ500は、先端が円筒形になっていて、ロボットが触った物体から受ける圧力を感知する。
図7(a)から図7(f)は、圧力センサ500が感知する圧力と、この圧力から判断される物体の表面の状態との関係を示している。図7(a)は、圧力センサ500が机等の台状の物体の表面sに接触した際に撮影された画像(動画の1フレーム)を示している。図7(a)に示した画像は、撮影に使用されたカメラから操作者のヘッドマウントディスプレイ等に出力される。
(Operation)
Here, the operation of the
In the first embodiment, the robot includes a
FIG. 7A to FIG. 7F show the relationship between the pressure sensed by the
図7(b)は、表面sと接触したときに圧力センサ500が得た圧力分布を示している。図7(b)に示した例では、圧力の感知範囲を円形のドットで表し、ドットの配置を(x1,y1)から(x5,y3)で表している。また、圧力の強さはd1、d2、d3の三段階で、圧力の強さは、d1<d2<d3となっている。図7(b)に示した例では、(x2,y2)、(x3,y2)及び(x4,y2)の3点を中心に、その周辺からも圧力が感知されている。このような場合、コントローラ80は、圧力センサ500が接触している物体が広がりを持つ「面」であると判定する。
図7(c)は、コントローラ80がセンサ信号を解析して判定した感触信号の出力分布を表している。図7(c)に示した例では、(x1,y2)から(x5,y2)の位置に対応する電極10に感触信号が出力されることを示している
FIG. 7B shows the pressure distribution obtained by the
FIG. 7C shows the output distribution of the tactile signal determined by the
なお、感触信号は、電圧、電流を操作者が痛みを感じない範囲で調整し、感触に応じた周波数が予め設定された信号である。第1実施形態では、感触信号の周波数を1Hzから100Hzの範囲で設定でき、周波数の相違によって「ボコボコした(引っかかる)」、「凸凹した(ざらざらした)」、「さらさらした(平らな)」といった感触を操作者に与えることができる。感触信号の周波数と感触との関係は、特開2015−219877号公報に開示されている。 The touch signal is a signal in which voltage and current are adjusted within a range where the operator does not feel pain, and a frequency corresponding to the touch is set in advance. In the first embodiment, the frequency of the tactile signal can be set in the range of 1 Hz to 100 Hz, and “difficult (scrambled)”, “roughened (roughened)”, “smoothed (flat)”, etc. depending on the frequency difference. A feeling can be given to the operator. The relationship between the frequency of the touch signal and the touch is disclosed in Japanese Patent Laying-Open No. 2015-219877.
また、図7(d)は、圧力センサ500が机等の台状の物体の縁eに接触した際に撮影された画像(動画の1フレーム)を示している。図7(e)は、縁eと接触したときに圧力センサ500が得た圧力分布を示している。図7(e)に示した例では、圧力の強さはd0、d2、d3の三段階で、圧力の強さは、d0<d2<d3である。図7(b)に示した例では、(x3,y3)、(x3,y2)及び(x3,y1)の3点で圧力が感知され、その周辺ではほとんど圧力が感知されていない。このような場合、コントローラ80は、圧力センサ500が接触している物体が「縁」であると判定する。
図7(f)は、コントローラ80がセンサ信号を解析して判定した感触信号の出力分布を表している。図7(f)に示した例では、(x3,y1)から(x3,y3)の位置に対応する電極10に感触信号が出力されることを示している
以上の処理により、操作者には、物体に触れる画像を見ながら手指に感触信号が与えられる。このため、操作者は、バーチャルに接触した物体をあたかも現実世界で触ったように感じることができる。
FIG. 7D shows an image (one frame of a moving image) taken when the
FIG. 7F shows the output distribution of the tactile signal determined by the
さらに、第1実施形態は、コントローラ80が、操作者が触った物体に応じて出力部90のペルチェ素子5をオン、オフさせている。このような処理は、例えば操作者が触る物体に応じて予め設定しておくものであってもよいし、ロボットに温度センサを設けておき、温度センサによって測定された温度に応じてペルチェ素子5のオン、オフを切り替えるものであってもよい。
このような処理によれば、操作者は、例えば暖かいお茶の入ったコップを持った画像を見ながら手指に「凸凹した」表面を触った感触信号を受け、さらにはペルチェ素子5で発生した熱を手指で感じることができる。このような処理により、第1実施形態は、感触信号のみを手指に受けて擬似的に物体を触った感触を得るよりも、温度を感じることによってさらにリアリティのある感触を得ることができる。
Furthermore, in the first embodiment, the
According to such a process, the operator receives a touch signal that touches the “uneven” surface of a finger while viewing an image with a cup of warm tea, for example, and further, the heat generated in the
図8は、図4に示したように、ビアホール15を複数(2つ)備える出力部91の構成を説明するための断面図である。ただし、図4においてはビアホール15を1つの電極10に対して5つ形成しているが、図8においては図示の簡単化のため、1つの電極10にビアホール15を2つ形成した例を示している。
出力部91は、配線21の一のランドパターン10'に複数(2つ)のビアホール15を形成している。このとき、メッキ部材150は、複数のビアホール15の各々において、一のランドパターン10'と電極10とを電気的に接続する。この理由は、1つのビアホール15の径が大きい場合、ビアホール15をメッキ部材150が十分に埋め込むことができず、ビアホール15による電気伝導、あるいは熱伝道の効率が低下する可能性が生じるからである。このような可能性をなくすため、第1実施形態は、ビアホール15の径を小さくし、横断面積の低下を補うためにビアホール15の数を大きくすることができる。
FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining the configuration of the
The
以上説明したように、第1実施形態の触覚温冷デバイスは、ビアホール15によって電気信号と温度の両方を電極10に伝達することができる。この際、第1実施形態では、ビアホール15内にメッキ部材150が充填されているので、電気信号及び温度の高い伝導率を得ることができる。また、第1実施形態では、電極10の背面のランドパターン10'上にペルチェ素子5を配置しているため、ペルチェ素子5が周囲に与える温度変化を最小限に抑えてビアホール15内のメッキ部材150を効率的に加熱することができる。
As described above, the tactile heating / cooling device of the first embodiment can transmit both an electrical signal and temperature to the
さらに、第1実施形態は、以上説明した構成に限定されるものではない。例えば、第1実施形態は、ペルチェ素子5をランドパターン10'の加熱に使用しているが、ペルチェ素子5はランドパターン10'の冷却に使用することが可能である。また、第1実施形態は、両面銅張板30を使用する構成に限定されるものでなく、フレキシブル基板に配線層を形成して使用することもできる。また、第1実施形態は、図2のようにグローブ2に内装される構成に限定されるものでなく、操作者の手指に装着されるものであればよい。また、電極10は、マトリックス状に配置される構成に限定されるものでなく、プロセスの条件や触覚温冷デバイスの用途等に応じて任意に配置される。また、第1実施形態は、ビアホール15の数を1つまたは2つに限定するものでなく、ビアホール15を任意の数設けることができる。ビアホール15の数は、ホール内の金属の充填状態とデバイスの設計条件及びプロセスの条件等を考慮して決定される。
Furthermore, the first embodiment is not limited to the configuration described above. For example, in the first embodiment, the
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態を説明する。
図9は、第2実施形態の出力部92を説明するための図である。第2実施形態の出力部92では、ペルチェ素子が、加熱機能を発揮する加熱用素子5Bと、冷却機能を発揮する冷却用素子5Cとを含んでいて、加熱用素子5Bと冷却用素子5Cとが、互いに離間して(距離r3を隔てて)且つ共に複数の電極10の形成領域の一部と重なって配置されている。
ここで、「加熱機能を発揮する」とは、冷却に使用可能であるか否かに関わらず加熱装置として使用されることを指す。また、「冷却機能を発揮する」とは、加熱に使用可能であるか否かに関わらず冷却装置として使用されることを指す。すなわち、第2実施形態では、ペルチェ素子が金属の接合部に電流を流して一方の金属が発熱、他方の金属が吸熱するという性質を利用した。第2実施形態では、加熱用素子5Bと冷却用素子5Cとに極性が反対の電流を流し、加熱用素子5Bを発熱に使用し、冷却用素子5Cを吸熱に使用している。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 9 is a diagram for explaining the
Here, “exhibiting a heating function” refers to being used as a heating device regardless of whether or not it can be used for cooling. Further, “demonstrating a cooling function” refers to being used as a cooling device regardless of whether it can be used for heating. In other words, in the second embodiment, the property that the Peltier element causes a current to flow through the metal junction, one metal generates heat, and the other metal absorbs heat. In the second embodiment, currents having opposite polarities are passed through the
図9に示した構成では、配線21に配線20を介して接続される制御側コネクタ60(電極)にコントローラ80から電気信号が入力されている。第2実施形態では、このような電気信号に応じて加熱用素子5B、冷却用素子5Cのいずれかが機能する。より具体的には、第2実施形態では、コントローラ80が前記した感触信号とは別の温度制御信号を生成し、出力側コネクタ50に入力させる。温度制御信号は、例えばロボットが接触した物体が温かいか冷たいかをコントローラ80が判断して生成されるものであってもよい。このような判断は、例えば、ロボットに圧力センサ500の他、温度センサを取り付けておき、この測定温度をコントローラ80に入力することによって可能である。なお、物体が暖かいとは、例えば物体の表面温度が室温よりも5度以上高いことを指し、物体が冷たいとは、例えば物体の表面温度が室温よりも5度以上低いことを指すようにしてもよい。
In the configuration shown in FIG. 9, an electrical signal is input from the
ロボットと接触している物体が暖かいと判断される場合、コントローラ80は、加熱用素子5Bに対して温度制御信号を出力する。加熱用素子5Bは、温度制御信号によってオンし、ランドパターン10'を加熱することによって操作者の手指を加熱する。また、コントローラ80は、ロボットと接触している物体が冷たいと判断される場合、冷却用素子5Cに対して温度制御信号を出力する。冷却用素子5Cは、温度制御信号によってオンし、操作者の手指を冷却する。
人間の皮膚表面の触覚の感知精度は、温度の感知精度に比べて高いことが知られている。このため、上記のように構成すると、操作者は指全体が暖かい、または冷たいと感じ、よりリアリティのある感触を得ることができる。
When it is determined that the object in contact with the robot is warm, the
It is known that the tactile sensing accuracy of the human skin surface is higher than the temperature sensing accuracy. For this reason, if comprised as mentioned above, the operator will feel that the whole finger | toe is warm or cold, and can obtain a more realistic feeling.
また、第2実施形態では、以上の構成において、加熱用素子5Bは一連の処理において常に加熱機能を発揮し、冷却用素子5Cは一連の処理において常に冷却機能を発揮する。ここで、一連の処理とは、出力側コネクタ50による電気信号の連続した入力開始から入力終了までの間をいうものとする。また、電気信号の「連続した入力開始から入力終了まで」とは、図1に示した感触情報入力装置1がコントローラ80から信号を入力して所定の処理を開始し、この処理を終了するまでの間をいう。つまり、ここでいう信号の連続は、この処理に関する複数の電気信号が一続きとなって連続することを指し、1つの処理の過程で電気信号が断続的にオン、オフすることも含まれる。
このような加熱用素子5B及び冷却用素子5Cは、処理の過程で電流の極性が切り替えられて加熱、冷却の機能に変更が生じることがない。このようにすれば、第2実施形態は、ペルチェ素子が発熱から吸熱に転じることがなく、速やかに発熱または吸熱を行うことができる。このため、第2実施形態は、物体に接触した感触を得るタイミングと温度を感じるタイミングとがずれることによる違和感を操作者に与えることがない。
In the second embodiment, in the above configuration, the
In the
以上説明した本発明は、以下の思想を含むものである。
<1>可撓性を有する基板と、前記フレキシブル基板の一方の主面である第1面に形成される配線と、前記第1面の裏面である第2面に形成される電極と、
前記フレキシブル基板に形成されたビアホールに充填され、前記配線と前記電極とを電気的かつ温度的に接続する接続部材と、前記第2面の前記電極が形成されている形成領域の少なくとも一部と重なって、前記第1面の側に配置される加熱または冷却の機能を有する温調部材と、を有することを特徴とする触覚温冷デバイス。
<2>前記温調部材が、加熱機能を発揮する加熱部材と、冷却機能を発揮する冷却部材とを含み、前記加熱部材と前記冷却部材とが、互いに離間して且つ共に前記形成領域の一部と重なって配置される、<1>の触覚温冷デバイス。
<3>前記配線に接続される入力電極を備え、前記入力電極に外部から電気信号が入力され、前記加熱部材と前記冷却部材は、前記電気信号に応じていずれかが機能する、<2>の触覚温冷デバイス。
<4>前記加熱部材は、前記入力電極による電気信号の連続した入力開始から入力終了までの間常に加熱機能を発揮し、前記冷却部材は前記入力電極による電気信号の連続した入力開始から入力終了までの間常に冷却機能を発揮する、<3>の触覚温冷デバイス。
<5>前記配線がランドパターンを備え、一の前記ランドパターンが複数の前記ビアホールを備え、前記接続部材は、複数の前記ビアホールの各々において、前記一のランドパターンと前記電極とを電気的に接続する、<1>から<4>のいずれか1つの触覚温冷デバイス。
<6>前記配線は、前記基板の面内において湾曲した金属箔板である、<1>から<5>のいずれか1つの触覚温冷デバイス。
<7> 可撓性を有する基板本体の第1の主面に第1金属層が形成され、前記第1の主面に対する裏面に第2金属層が形成された基板に対してビアホールを形成する工程と、
前記ビアホールに金属部材を充填し、前記第1金属層及び前記第2金属層を電気的かつ温度的に接続する工程と、
前記ビアホールに充填された金属部材と接するように、加熱機能または冷却機能を有する温調部材を配置する工程と、を含むことを特徴とする、触覚温冷デバイスの製造方法。
<8>基板本体と、当該基板本体の一方の主面である第1面に形成される配線と、前記第1面の裏面である第2面に形成される電極と、を有する基板に形成されたビアホールに充填され、前記配線と前記電極とを電気的かつ温度的に接続する接続部材と、を有することを特徴とする触覚温冷デバイス。
The present invention described above includes the following ideas.
<1> a flexible substrate, wiring formed on a first surface that is one main surface of the flexible substrate, an electrode formed on a second surface that is the back surface of the first surface,
A connection member that fills a via hole formed in the flexible substrate and electrically and thermally connects the wiring and the electrode; and at least a part of a formation region in which the electrode on the second surface is formed; A tactile thermo-cooling device comprising: a temperature control member that overlaps and is disposed on the first surface side and having a heating or cooling function.
<2> The temperature control member includes a heating member that exhibits a heating function and a cooling member that exhibits a cooling function, and the heating member and the cooling member are separated from each other and are both in one of the formation regions. <1> tactile heating / cooling device arranged to overlap the part.
<3> An input electrode connected to the wiring is provided, an electric signal is input to the input electrode from the outside, and either the heating member or the cooling member functions according to the electric signal. <2> Tactile heating and cooling device.
<4> The heating member always exhibits a heating function from the start to the end of input of an electric signal by the input electrode, and the cooling member ends from the start of input of the electric signal by the input electrode. <3> tactile thermo-cooling device that always exhibits a cooling function until.
<5> The wiring includes a land pattern, the one land pattern includes a plurality of the via holes, and the connection member electrically connects the one land pattern and the electrode in each of the plurality of via holes. The tactile thermal cooling device according to any one of <1> to <4> to be connected.
<6> The tactile heating / cooling device according to any one of <1> to <5>, wherein the wiring is a metal foil plate curved in the plane of the substrate.
<7> A via hole is formed in the substrate in which the first metal layer is formed on the first main surface of the flexible substrate body and the second metal layer is formed on the back surface of the first main surface. Process,
Filling the via hole with a metal member and electrically and thermally connecting the first metal layer and the second metal layer;
And a step of arranging a temperature adjusting member having a heating function or a cooling function so as to be in contact with the metal member filled in the via hole.
<8> Formed on a substrate having a substrate body, wiring formed on the first surface which is one main surface of the substrate body, and electrodes formed on the second surface which is the back surface of the first surface. A tactile heating / cooling device, characterized in that the tactile heating / cooling device includes a connecting member that is filled in the via hole and electrically and thermally connects the wiring and the electrode.
1・・・感触情報入力装置
2・・・グローブ
3・・・絶縁フィルム
3a,3b・・・面
5・・・ペルチェ素子
5B・・・加熱用素子
5C・・・冷却用素子
6・・・基板
10・・・電極
10'・・・ランドパターン
11,12・・・金属箔
13,14・・・銅メッキ層
15・・・ビアホール
20,21,22,70・・・配線
30・・・両面銅張板
50・・・出力側コネクタ
60・・・制御側コネクタ
80・・・コントローラ
90,91,92,94・・・出力部
100・・・触覚温冷デバイス
150・・・接続部
200・・・制御デバイス
500・・・圧力センサ
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記基板本体の一方の主面である第1面に形成される配線と、
前記第1面の裏面である第2面に形成される電極と、
前記基板本体に形成されたビアホールに充填され、前記配線と前記電極とを電気的かつ温度的に接続する接続部材と、
前記第2面の前記電極が形成されている形成領域の少なくとも一部と重なって、前記第1面の側に配置される加熱または冷却の機能を有する温調部材と、
を有することを特徴とする触覚温冷デバイス。 A flexible substrate body;
Wiring formed on the first surface which is one main surface of the substrate body;
An electrode formed on a second surface which is the back surface of the first surface;
A connection member that is filled in a via hole formed in the substrate body and electrically and thermally connects the wiring and the electrode;
A temperature control member having a heating or cooling function disposed on the first surface side so as to overlap at least a part of a formation region of the second surface on which the electrode is formed;
A tactile heating / cooling device characterized by comprising:
前記ビアホールに金属部材を充填し、前記第1金属層及び前記第2金属層を電気的かつ温度的に接続する工程と、
前記ビアホールに充填された金属部材と接するように、加熱機能または冷却機能を有する温調部材を配置する工程と、を含むことを特徴とする、触覚温冷デバイスの製造方法。 Forming a via hole in a substrate in which a first metal layer is formed on a first main surface of a flexible substrate body and a second metal layer is formed on the back surface of the first main surface;
Filling the via hole with a metal member and electrically and thermally connecting the first metal layer and the second metal layer;
And a step of arranging a temperature adjusting member having a heating function or a cooling function so as to be in contact with the metal member filled in the via hole.
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